JP2002265299A - BaTiO3-PbTiO3 BASED SINGLE CRYSTAL AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR, PIEZOELECTRIC TYPE ACTUATOR AND LIQUID DISCHARGE HEAD USING PIEZOELECTRIC TYPE ACTUATOR - Google Patents
BaTiO3-PbTiO3 BASED SINGLE CRYSTAL AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR, PIEZOELECTRIC TYPE ACTUATOR AND LIQUID DISCHARGE HEAD USING PIEZOELECTRIC TYPE ACTUATORInfo
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば圧電体とし
て利用可能なBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶およ
びその製造方法に関するものであり、さらに、BaTi
O3 −PbTiO 3 系単結晶からなる圧電型アクチュエ
ータならびに該圧電型アクチュエータを用いる液体吐出
ヘッドに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention
BaTiO availableThree -PbTiOThree System single crystal and
And a method for producing the same.
OThree -PbTiO Three Actuator Consisting of Single Crystal
Discharge using the piezoelectric actuator and the piezoelectric actuator
It concerns the head.
【0002】[0002]
【従来の技術】BaTiO3 単結晶は、光通信や情報処
理等に利用される非線型光学結晶であり、高解像度画像
処理、実時間フォログラム、レーザー共振器用の位相共
役波発生媒体に利用できるばかりでなく、低価格結晶が
実現できれば高性能な圧電材料としても利用できる市場
性の大きな材料である。2. Description of the Related Art BaTiO 3 single crystal is a non-linear optical crystal used for optical communication and information processing, and can be used for high resolution image processing, real time hologram, and phase conjugate wave generation medium for laser resonator. Rather, it is a marketable material that can be used as a high-performance piezoelectric material if low-cost crystals can be realized.
【0003】ところで、BaTiO3 単結晶の製造に関
しては、状態図から判断できるようにBaTiO3 融液
から直接単結晶化することが困難なため、フッ化物や塩
化物を主成分とする溶剤(フラックス)を用いるフラッ
クス法あるいは融液組成をTiO2 リッチにすることに
よって直接低温型構造のBaTiO3 単結晶を引上げる
方法(いわゆる、トップ・シーディド・ソリューション
・グロース(TSSG)法)でしか育成できなかった。
しかしながら、前記のフラックス法では、サイズが1m
m3 程度以下の小さいものしか得られず、また、前記T
SSG法では、白金坩堝等の高価な貴金属坩堝を必要と
し、しかも育成速度が遅く、製造コストは非常に高くな
る。Meanwhile, BaTiO 3 with respect to the production of single crystals, since it is difficult to single crystallization directly from BaTiO 3 melt as can be determined from the phase diagram, the solvent mainly composed of a fluoride or chloride (flux ) Or a method of directly pulling a BaTiO 3 single crystal having a low-temperature structure by making the melt composition rich in TiO 2 (so-called top seeded solution growth (TSSG) method). Was.
However, in the above flux method, the size is 1 m.
m 3 or less, and the T
The SSG method requires an expensive noble metal crucible such as a platinum crucible, has a low growth rate, and has a very high manufacturing cost.
【0004】上述の問題点を改善して、より大きなBa
TiO3 単結晶をより容易に効率よく製造するための方
法が従来から検討されている。[0004] By improving the above problems, a larger Ba
Methods for easily and efficiently producing TiO 3 single crystals have been studied.
【0005】例えば、焼結法によりBaTiO3 単結晶
を効率よく製造しようとする試みが見られる。特開平4
−300296号公報、特開平5−155696号公
報、特開平5−155697号公報には、BaTiO3
の多結晶にBaTiO3 の単結晶を種結晶として接合
し、これを加熱することで、固相反応により前記多結晶
を単結晶化するBaTiO3 単結晶の製造方法が開示さ
れている。また、特開平9−263496号公報におい
ては、Ti/Baのモル比が1.0以上1.1以下であ
るBaTiO3 微結晶粒子集合体に温度勾配を与えて単
結晶化するBaTiO3 単結晶の製造方法が開示されて
いる。For example, there have been attempts to efficiently produce BaTiO 3 single crystals by a sintering method. JP 4
JP-A-300296, JP-A-5-155696 and JP-A-5-155797 disclose BaTiO 3.
A single crystal of BaTiO 3 is joined as a seed crystal to the polycrystal of No. 1, and a method for producing a single crystal of BaTiO 3 in which the polycrystal is single-crystallized by a solid-phase reaction by heating the single crystal is disclosed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-263496 discloses a BaTiO 3 single crystal in which a BaTiO 3 microcrystal particle aggregate having a Ti / Ba molar ratio of 1.0 or more and 1.1 or less is given a temperature gradient to form a single crystal. Is disclosed.
【0006】しかしながら、これらの方法では、単結晶
成長速度のばらつきが大きく、大きなサイズの単結晶を
再現性よく育成することができなかった。また、転位密
度が高く、BaTiO3 単結晶の結晶性においても従来
のTSSG法やフラックス法に比べて見劣りのするもの
であった。However, these methods have a large variation in single crystal growth rate, and cannot grow a large single crystal with good reproducibility. In addition, the dislocation density was high, and the crystallinity of the BaTiO 3 single crystal was inferior to the conventional TSSG method or flux method.
【0007】さらに、焼結法以外の固相法の例も見られ
る。特開昭59−3091号公報には、PbTiO3 、
BaTiO3 、SrTiO3 、CaTiO3 などの結晶
質酸化物を溶融後に急冷凝固して非晶質化した後、温度
勾配下で再結晶化する酸化物単結晶の製造方法が開示さ
れている。この方法では、結晶質酸化物を溶融する工程
を必要とするため、製造装置および製造工程が複雑にな
る。また、得られる単結晶の結晶性も悪く、気孔含有率
の高い結晶しか得られなかった。Further, examples of a solid-phase method other than the sintering method can be seen. JP-A-59-3091 discloses PbTiO 3 ,
There is disclosed a method for producing an oxide single crystal in which a crystalline oxide such as BaTiO 3 , SrTiO 3 , or CaTiO 3 is melted, rapidly solidified and then amorphized, and then recrystallized under a temperature gradient. This method requires a step of melting the crystalline oxide, which complicates the manufacturing apparatus and manufacturing steps. In addition, the crystallinity of the obtained single crystal was poor, and only a crystal having a high pore content was obtained.
【0008】また、TSSG法やフラックス法について
も改善検討が行われている。特開平6−321698号
公報には、フラックス法において、BaF2 、NaF、
Li 2 MoO4 などの混合物をフラックスとして用いる
BaTiO3 の製造方法が開示されている。これによっ
て、溶液へのBaTiO3 の溶解度を高め、長時間の結
晶育成によって、大きなサイズのBaTiO3 単結晶を
得ることを目的とするものであるが、製造時間と製造コ
ストの点で充分に満足できるものではなかった。特開平
9−59096号公報には、微量のMgおよびFeをド
−プしたBaTiO3 単結晶が開示されている。これは
近赤外領域において高い光屈折性を得ることを目的とす
るものであるが、MgやFeなどの圧電特性に悪影響を
及ぼす元素が含まれており、圧電材料としては好ましい
ものではなかった。また、産業レベルでは製造時間と製
造コストの点で満足できる水準ではなかった。Further, regarding the TSSG method and the flux method
Improvements are also being considered. JP-A-6-321698
In the gazette, the flux method uses BaFTwo , NaF,
Li Two MoOFour Use a mixture such as
BaTiOThree Is disclosed. By this
And BaTiO to the solutionThree Increase the solubility of
BaTiO of large size by crystal growthThree Single crystal
It is intended to obtain
The strike was not satisfactory enough. JP
No. 9-59096 discloses that trace amounts of Mg and Fe are doped.
-Pressed BaTiOThree A single crystal is disclosed. this is
The aim is to obtain high photorefractive properties in the near infrared region
However, it has an adverse effect on the piezoelectric properties of Mg, Fe, etc.
Effect element is contained, and it is preferable as a piezoelectric material.
It was not something. At the industrial level, production time and
It was not at a satisfactory level in terms of manufacturing costs.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】前述したように、TS
SG法やフラックス法などによるBaTiO3 単結晶の
製造方法によれば、製造時間、製造コストなどの製造効
率の問題を大幅に改善することが非常に困難であった。
また、焼結法によるBaTiO3 単結晶の製造方法にお
いては、製造効率の向上が期待されていたが、BaTi
O3 単結晶の成長速度がばらつくために充分な効果を得
ることができず、同時に、得られるBaTiO3 単結晶
の結晶性もTSSG法やフラックス法等と比較して劣っ
ていた。すなわち、結晶性や物性に優れたBaTiO3
系単結晶を短時間に低コストで製造することを従来の技
術の流れにおいて実現することは困難であった。As described above, the TS
According to the method of manufacturing a BaTiO 3 single crystal by the SG method, the flux method, or the like, it has been extremely difficult to significantly reduce the problems of manufacturing efficiency such as manufacturing time and manufacturing cost.
Further, in the method of manufacturing a BaTiO 3 single crystal by the sintering method, improvement of the manufacturing efficiency was expected.
A sufficient effect could not be obtained due to variation in the growth rate of the O 3 single crystal, and at the same time, the crystallinity of the obtained BaTiO 3 single crystal was inferior to those of the TSSG method, the flux method and the like. That is, BaTiO 3 having excellent crystallinity and physical properties
It has been difficult to produce a system single crystal in a short time and at low cost in the flow of the conventional technology.
【0010】また、圧電材料としては、PZT(Pb
(Ti,Zr)O3 )多結晶が一般的に用いられている
が、近年、地球環境への負荷を軽減するために工業製品
における鉛使用量の削減が求められており、現在一般
に、鉛使用量削減を目的とするPZT代替の有望材料と
しては、BaTiO3 多結晶、Bi0.5 Na0.5 TiO
3多結晶、(Na0.5 K0.5 )NbO3 多結晶等が考え
られている。しかしながら、PZTは、圧電定数d33=
300〜400(×10-12 C/N)、電気機械結合係
数k33=0.6〜0.7であるのに対して、BaTiO
3 多結晶は、圧電定数d33=120(×10-12 C/
N)、電気機械結合係数k33=0.4〜0.5であり、
Bi0.5 Na0.5 TiO3 多結晶は、圧電定数d33=1
10(×10-1 2 C/N)、電気機械結合係数k33=
0.4〜0.6であって、その圧電特性について満足で
きるものではなかった。なお、BaTiO3 単結晶は、
圧電定数d 33=500(×10-12 C/N)、電気機械
結合係数k33=0.8〜0.9であるが、キュリー温度
(Tc )が約120℃であり、BaTiO3 多結晶と同
様に低いキュリー温度(Tc )に伴う使用可能温度領域
の狭さが従来から実用上の難点であった。そのため、鉛
を含まないか鉛含有量が低くかつ圧電特性が優れた材料
の開発が要望されているところである。In addition, PZT (Pb
(Ti, Zr) OThree ) Polycrystalline is commonly used
However, in recent years, industrial products have been
It is required to reduce the amount of lead used in
In addition, a promising alternative to PZT to reduce lead usage
And BaTiOThree Polycrystalline, Bi0.5 Na0.5 TiO
ThreePolycrystalline, (Na0.5 K0.5 ) NbOThree Think polycrystalline
Have been. However, PZT has a piezoelectric constant d33=
300-400 (× 10-12 C / N), electromechanical coupling
Number k33= 0.6 to 0.7, whereas BaTiO
Three Polycrystal has a piezoelectric constant d33= 120 (× 10-12 C /
N), electromechanical coupling coefficient k33= 0.4-0.5,
Bi0.5 Na0.5 TiOThree Polycrystal has a piezoelectric constant d33= 1
10 (× 10-1 Two C / N), electromechanical coupling coefficient k33=
0.4 to 0.6, which is satisfactory for its piezoelectric characteristics.
It was not something that could be done. In addition, BaTiOThree A single crystal is
Piezoelectric constant d 33= 500 (× 10-12 C / N), electric machine
Coupling coefficient k33= 0.8 to 0.9, but Curie temperature
(Tc ) Is about 120 ° C. and BaTiOThree Same as polycrystal
As low Curie temperature (Tc Usable temperature range accompanying)
Has been a practical difficulty in the past. Therefore, lead
-Free or low-lead material with excellent piezoelectric properties
Is being developed.
【0011】本発明者らは、焼結法によるBaTiO3
単結晶の作製において、BaTiO 3 自体に他成分を加
えることにより、単結晶成長再現性の向上および結晶性
や他の物性の向上を両立させることを試み、この観点か
ら鋭意検討した結果、BaTiO3 にPbTiO3 を加
えた系においてある特定条件を満たしたものだけが非常
に再現性よく結晶成長を引き起こすことを見出し、Ba
TiO3 −PbTiO 3 系についてさらに詳細な検討を
行い、本発明の完成に至ったものである。The inventors of the present invention have proposed a BaTiOThree
In the production of a single crystal, BaTiO Three Add other ingredients to itself
Improved crystal reproducibility and crystallinity
And try to balance the improvement of other physical properties.
As a result of extensive investigation, BaTiOThree PbTiOThree Add
Only those systems that meet certain conditions
Found that crystal growth was caused with good reproducibility.
TiOThree -PbTiO Three A more detailed examination of the system
As a result, the present invention has been completed.
【0012】すなわち、本発明は、誘電損失や電気機械
結合係数を向上させ、誘電性、圧電性、焦電性など諸物
性に優れたBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶、特
に、圧電特性ならびに生産性に優れ鉛含有率の低い圧電
材料としてのBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶を提
供するものである。That is, the present invention provides a BaTiO 3 -PbTiO 3 single crystal having improved dielectric loss, electromechanical coupling coefficient, and excellent physical properties such as dielectric properties, piezoelectric properties, and pyroelectric properties. there is provided a BaTiO 3 -PbTiO 3 system single crystal as low piezoelectric material excellent of lead content in sex.
【0013】ところで、BaTiO3 −PbTiO3 系
単結晶は、後述する本発明以外の方法例えばフラックス
法やTSSG法等の溶融凝固法により作製することは、
BaTiO3 単結晶以上に困難であると考えられてお
り、このような方法に価値を見出すことはできない。前
述のようにBaTiO3 単結晶については、フラックス
法ではサイズが1mm3 程度以下の小さいものしか得ら
れず、また、TSSG法では、白金坩堝等の高価な貴金
属坩堝を必要とし、しかも育成速度が0.1〜0.2m
m/h程度であることから、製造コストが非常に高くな
り、さらに原料ロスが多く、大きな単結晶が得られ難い
欠点がある。このように極端な高コスト化を余儀なくさ
れ、その利用分野は非常に限られる状況にあり、工業材
料としての価値に欠けることが指摘されている。性能面
に関しても単結晶育成中に不純物が混入しやすく、本来
の性能を発揮できない場合が多い。BaTiO3 −Pb
TiO3 系単結晶についても溶融凝固法によれば同様の
問題が予想される。The BaTiO 3 -PbTiO 3 single crystal can be produced by a method other than the present invention described later, for example, a melt solidification method such as a flux method or a TSSG method.
It is considered more difficult than a BaTiO 3 single crystal, and no value can be found in such a method. As described above, for the BaTiO 3 single crystal, only a small size of about 1 mm 3 or less can be obtained by the flux method. In addition, the TSSG method requires an expensive noble metal crucible such as a platinum crucible, and the growing speed is low. 0.1-0.2m
Since it is on the order of m / h, there are disadvantages that the production cost is extremely high, the raw material loss is large, and it is difficult to obtain a large single crystal. As described above, it is inevitable that the cost is extremely high, and the field of use is extremely limited, and it is pointed out that the material lacks value as an industrial material. In terms of performance, impurities are likely to be mixed during the growth of the single crystal, and the original performance cannot often be exhibited. BaTiO 3 -Pb
Similar problems are expected for TiO 3 single crystals according to the melt solidification method.
【0014】また、焼結法によるペロブスカイト酸化物
単結晶の製造方法の例としては、特開平9−18859
7号公報において、Pb{(Mg1/3 Nb2/3 )1-x T
ix}O3 ペロブスカイト焼結体(前記組成式におい
て、0≦x≦0.55。なお、Pbの10モル%以下が
Ba、Sr、Caなどで置換されることもある。)を種
単結晶と接触させて密閉容器内で鉛雰囲気中1000〜
1450℃の温度で加熱する工程を具備するペロブスカ
イト酸化物単結晶の製造方法が開示されている。しかし
ながら、Pbの含有モル数がBaの含有モル数よりも少
ないBaTiO3−PbTiO3 系単結晶についての開
示はなく、当然ながら、それによる効果も記載されてい
ない。また、前記ペロブスカイト焼結体のAサイトとB
サイトの比が、1.00>A/Bのときに結晶化速度が
著しく遅いという点で、後述するように本発明とは異な
る傾向を持つものである。An example of a method for producing a perovskite oxide single crystal by a sintering method is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-18859.
No. 7, Pb @ (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x T
i x } O 3 perovskite sintered body (0 ≦ x ≦ 0.55 in the above composition formula; 10 mol% or less of Pb may be replaced by Ba, Sr, Ca, etc.) 1000 ~ in lead atmosphere in closed container by contact with crystal
A method for producing a perovskite oxide single crystal comprising a step of heating at a temperature of 1450 ° C. is disclosed. However, there is no disclosure of the molar number of Pb is about less BaTiO 3 -PbTiO 3 system single crystal than the molar number of Ba, of course, it by effect not described. Further, the A-site and B-site of the perovskite sintered body
The point that the crystallization rate is extremely slow when the ratio of sites is 1.00> A / B has a tendency different from that of the present invention as described later.
【0015】本発明は、誘電損失や電気機械結合係数を
向上させ、誘電性、圧電性、焦電性など諸物性に優れた
BaTiO3 −PbTiO3 系単結晶を提供することを
目的とし、特に、圧電特性ならびに生産性に優れ鉛含有
率の低い圧電材料としてのBaTiO3 −PbTiO3
系単結晶を提供することを目的とするものである。An object of the present invention is to provide a BaTiO 3 -PbTiO 3 single crystal having improved dielectric loss and electromechanical coupling coefficient and excellent in various physical properties such as dielectric property, piezoelectric property and pyroelectric property. , BaTiO 3 -PbTiO 3 as a piezoelectric material having excellent piezoelectric properties and productivity and a low lead content
It is an object to provide a system single crystal.
【0016】さらに、本発明は、溶融凝固法による単結
晶育成ではなく、BaTiO3 −PbTiO3 系単結晶
を効率良く作製することができるBaTiO3 −PbT
iO 3 系単結晶の製造方法を提供することを目的とする
ものであり、また、BaTiO3 −PbTiO3 系単結
晶を用いた圧電型アクチュエータおよび液体吐出ヘッド
を提供することを目的とする。Further, the present invention provides a simple bonding method by a melt solidification method.
Instead of crystal growth, BaTiOThree -PbTiOThree Single crystal
That can be efficiently producedThree -PbT
iO Three To provide a method for producing a system single crystal
And BaTiOThree -PbTiOThree Simple connection
Actuator and Liquid Discharge Head Using Crystal
The purpose is to provide.
【0017】[0017]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前述する
ように、従来、再現性よく単結晶育成することができな
かった焼結法によるBaTiO3 単結晶の作製におい
て、BaTiO3 自体に他成分を加えることにより単結
晶成長再現性の向上および結晶性や他の物性の向上を両
立させることを試み、この観点から鋭意検討した結果、
BaTiO3 にPbTiO3 を加えた系においてある特
定条件を満たしたものが非常に再現性よく結晶成長を引
き起こすことを見出し、本発明を完成するに至ったもの
である。SUMMARY OF THE INVENTION As described above, the present inventors have found that BaTiO 3 itself has been used in the production of BaTiO 3 single crystals by a sintering method, which has not been able to grow single crystals with good reproducibility. By adding other components, we tried to achieve both improvement of single crystal growth reproducibility and improvement of crystallinity and other physical properties.
It found that those that meet certain conditions in a system plus PbTiO 3 to BaTiO 3 causes a very good reproducibility crystal growth has been led to completion of the present invention.
【0018】すなわち、本発明のBaTiO3 −PbT
iO3 系単結晶は、Pbの含有モル数がBaの含有モル
数よりも少ないBaTiO3 −PbTiO3 系圧粉体ま
たは焼結体を非溶融状態に保ったまま加熱することによ
り単結晶化されたことを特徴とする。このように、Pb
の含有モル数がBaの含有モル数よりも少なくなるよう
にBaTiO3 にPbTiO3 を加え、BaTiO3 −
PbTiO3 系圧粉体または焼結体を非溶融状態に保っ
たまま加熱することにより単結晶化することにより安定
した単結晶育成が可能となる。That is, the BaTiO 3 -PbT of the present invention
The iO 3 -based single crystal is single-crystallized by heating a BaTiO 3 -PbTiO 3 -based green compact or sintered body in which the mole number of Pb is smaller than the mole number of Ba while keeping it in a non-molten state. It is characterized by having. Thus, Pb
PbTiO 3 is added to BaTiO 3 so that the number of moles of BaTiO 3 − is smaller than the number of moles of Ba.
By heating the PbTiO 3 -based green compact or sintered body while keeping it in a non-molten state to form a single crystal, a stable single crystal can be grown.
【0019】本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単
結晶においては、転位密度が102個/cm2 以上106
個/cm2 以下であり、気孔含有率が1体積ppm以
上5体積%以下の範囲にあることが好ましい。これによ
り、本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶は、
誘電損失が小さく、電気機械結合係数の大きいものにな
る。例えば、誘電損失としては1%以下、電気機械結合
係数が85%を超えるものとなる。In the BaTiO 3 -PbTiO 3 single crystal of the present invention, the dislocation density is 10 2 / cm 2 or more and 10 6 or more.
/ Cm 2 or less, and the pore content is preferably in the range of 1 to 5% by volume. Thus, the BaTiO 3 —PbTiO 3 single crystal of the present invention
The dielectric loss is small and the electromechanical coupling coefficient is large. For example, the dielectric loss is 1% or less, and the electromechanical coupling coefficient exceeds 85%.
【0020】本発明のBaTiO3 −pbTiO3 単結
晶においては、BaTiO3 −PbTiO3 系単結晶に
おけるPbTiO3 の含有率が45モル%以下であるこ
とが好ましい。出発物質であるBaTiO3 −PbTi
O3 系圧粉体または焼結体におけるPbTiO3 の含有
率を45モル%以下とすることにより、単結晶の成長速
度がより促進されるとともに、より安定的に単結晶物質
を製造することができる。その結果得られるBaTiO
3 −PbTiO3 系単結晶におけるPbTiO 3 の含有
率は、出発物質におけるPbTiO3 の含有率と同一で
ある。さらに、本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系
単結晶におけるPbTiO3 の含有率は、より好ましく
は30モル%以下であり、さらに好ましくは25モル%
以下である。PbTiO3 の含有率が多すぎると、Pb
の蒸発が顕著になり、目的組成からの組成変動とともに
得られる単結晶がポ−ラスになりやすい。このPb蒸発
を抑制するには圧力容器の利用が不可欠であり、製造コ
ストアップに導かれる欠点を伴う。また、本発明のBa
TiO3 −PbTiO3 系単結晶におけるPbTiO3
の最少含有量としては、より好ましくは0.01モル%
以上であり、さらに好ましくは0.02モル%以上であ
る。BaTiO of the present inventionThree -PbTiOThree Simple connection
In the crystal, BaTiOThree -PbTiOThree To single crystal
PbTiOThree Content of 45 mol% or less
Is preferred. BaTiO as starting materialThree -PbTi
OThree PbTiO in system compact or sintered bodyThree Containing
Rate of 45 mol% or less, the growth rate of the single crystal
Single crystal material is more stable and more stable
Can be manufactured. The resulting BaTiO
Three -PbTiOThree PbTiO in system-based single crystals Three Containing
The rate is determined by the PbTiOThree The same as the content of
is there. Furthermore, the BaTiO of the present inventionThree-PbTiOThree system
PbTiO in single crystalThree Is more preferable.
Is 30 mol% or less, more preferably 25 mol%.
It is as follows. PbTiOThree If the content of Pb is too large, Pb
Evaporation becomes remarkable, and the composition fluctuates from the target composition.
The resulting single crystal tends to be porous. This Pb evaporation
The use of pressure vessels is indispensable to control
With the drawback that leads to the stop-up. In addition, Ba of the present invention
TiOThree -PbTiOThree PbTiO in system-based single crystalsThree
Is more preferably 0.01 mol%
Or more, more preferably 0.02 mol% or more.
You.
【0021】本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単
結晶は、1mm3 以上の体積を有することが好ましい。
本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶は、安定
した結晶成長によって容易に1mm3 以上の体積にまで
大きくすることができ、単結晶が1mm3 以上の体積を
有することにより、大面積化などにより各種多様なサイ
ズのデバイスに対応することが可能となり好ましい。The BaTiO 3 -PbTiO 3 single crystal of the present invention preferably has a volume of 1 mm 3 or more.
The BaTiO 3 -PbTiO 3 -based single crystal of the present invention can be easily increased to a volume of 1 mm 3 or more by stable crystal growth, and the single crystal has a volume of 1 mm 3 or more, thereby increasing the area. This makes it possible to cope with devices of various sizes, which is preferable.
【0022】また、本発明の別の態様は、転位密度が1
02 個/cm2 以上106 個/cm 2 以下、気孔含有率
が1体積ppm以上5体積%以下の範囲にあることを特
徴とするBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶である。
より好ましくは、PbTiO 3 の含有率を45モル%以
下とする。これにより、本発明のBaTiO3 −PbT
iO3 系単結晶は、誘電損失が小さく、電気機械結合係
数の大きいものになる。In another embodiment of the present invention, the dislocation density is 1
0Two Pieces / cmTwo More than 106 Pieces / cm Two Below, the pore content
Is in the range of 1% by volume to 5% by volume.
BaTiOThree -PbTiOThree It is a system single crystal.
More preferably, PbTiO Three Content of 45 mol% or less
Below. Thereby, the BaTiO of the present invention is obtained.Three -PbT
iOThree Based single crystals have low dielectric loss and
It will be a large number.
【0023】さらに、本発明のBaTiO3 −PbTi
O3 系単結晶の製造方法は、Pbの含有モル数がBaの
含有モル数よりも少ないBaTiO3 −PbTiO3 系
圧粉体または焼結体の含有する元素のモル比を0.98
00<(Ba+Pb)/Ti<1.0000の範囲と
し、前記圧粉体または焼結体を非溶融状態に保ったまま
加熱することにより単結晶化する工程を含むことを特徴
とする。より好ましくは、前記圧粉体または焼結体の含
有する元素のモル比を0.9900<(Ba+Pb)/
Ti<1.0000の範囲とし、さらに好ましくは0.
9950≦(Ba+Pb)/Ti≦0.9999の範囲
とする。このようにPbの含有モル数がBaの含有モル
数よりも少ないBaTiO3 −PbTiO3 系圧粉体ま
たは焼結体を非溶融状態に保ったまま加熱することによ
って、PbTiO3 を含まないBaTiO3 のみの圧粉
体または焼結体を同様に処理した場合と比較して、単結
晶成長の再現性が向上し、安定したBaTiO3 −Pb
TiO3 系単結晶の製造が可能となる。さらに、前記B
aTiO3 −PbTiO3 系圧粉体または焼結体の含有
する元素のモル比を所定の範囲にすることによって、B
aTiO3 −PbTiO3 系単結晶の結晶成長速度が速
くなる。Further, the BaTiO 3 -PbTi of the present invention
O 3 type method for producing a single crystal, 0.98 elemental molar ratio of the molar number of Pb contains less BaTiO 3 -PbTiO 3 system powder compact or sintered than the molar number of Ba
In the range of 00 <(Ba + Pb) / Ti <1.0000, the method includes a step of heating the green compact or the sintered body in a non-molten state to form a single crystal. More preferably, the molar ratio of the elements contained in the green compact or the sintered body is 0.9900 <(Ba + Pb) /
Ti <1.0000, more preferably 0.1 Ti.
9950 ≦ (Ba + Pb) /Ti≦0.9999. By heating thus remains containing the number of moles of Pb was kept unmelted less BaTiO 3 -PbTiO 3 system powder compact or sintered than the molar number of Ba, BaTiO 3 containing no PbTiO 3 The reproducibility of single crystal growth is improved and a stable BaTiO 3 -Pb
Production of a TiO 3 -based single crystal becomes possible. Further, B
By the ATiO 3 -PbTiO 3 system powder, or the molar ratio of the content to elements of the sintered body in a predetermined range, B
the crystal growth rate of aTiO 3 -PbTiO 3 system single crystal becomes faster.
【0024】本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単
結晶の製造方法において、BaTiO3 −PbTiO3
系圧粉体または焼結体におけるPbTiO3 の含有率が
45モル%以下であることが好ましい。出発物質である
BaTiO3 −PbTiO3系圧粉体または焼結体にお
けるPbTiO3 の含有率を45モル%以下とすること
により、単結晶の成長速度がより促進されるとともに、
より安定的に単結晶物質を製造することができる。ま
た、本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶の製
造方法において、BaTiO3 −PbTiO3 系圧粉体
または焼結体におけるPbTiO3 の含有率は、より好
ましくは30モル%以下であり、さらに好ましくは25
モル%以下である。PbTiO3 の含有率が多すぎる
と、Pbの蒸発が顕著になり、目的組成からの組成変動
とともに得られる単結晶がポ−ラスになりやすい。この
Pb蒸発を抑制するには圧力容器の利用が不可欠であ
り、製造コストアップに導かれる欠点を伴う。さらに、
本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶の製造方
法においては、BaTiO3 −PbTiO3 系圧粉体ま
たは焼結体におけるPbTiO3 の最少含有量として
は、より好ましくは0.01モル%以上であり、さらに
好ましくは0.02モル%以上である。In the method for producing a BaTiO 3 —PbTiO 3 single crystal according to the present invention, the BaTiO 3 —PbTiO 3
It is preferable that the content of PbTiO 3 in the system compact or the sintered body is 45 mol% or less. By setting the content of PbTiO 3 in the BaTiO 3 —PbTiO 3 based green compact or the sintered body as the starting material to 45 mol% or less, the growth rate of the single crystal is further promoted,
A single crystal substance can be more stably manufactured. In the method for producing BaTiO 3 -PbTiO 3 system single crystal of the present invention, the content of PbTiO 3 in BaTiO 3 -PbTiO 3 system powder compact or the sintered body, more preferably 30 mol% or less, further Preferably 25
Mol% or less. If the content of PbTiO 3 is too large, the evaporation of Pb becomes remarkable, and the single crystal obtained with composition fluctuation from the target composition tends to become porous. The use of a pressure vessel is indispensable for suppressing this Pb evaporation, and involves a drawback that leads to an increase in manufacturing cost. further,
In the manufacturing method of the BaTiO 3 -PbTiO 3 system single crystal of the present invention, the minimum content of PbTiO 3 in BaTiO 3 -PbTiO 3 system powder compact or sintered, more preferably 0.01 mol% or more And more preferably 0.02 mol% or more.
【0025】また、本発明のBaTiO3 −PbTiO
3 系単結晶の製造方法は、好ましくは、BaTiO3 −
PbTiO3 系圧粉体または焼結体を1200℃以上1
400℃以下の温度範囲で加熱することにより単結晶化
する工程を含む。BaTiO 3 −PbTiO3 系圧粉体
または焼結体を前記のような所定の温度範囲で加熱する
ことによってBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶の結
晶成長速度が速くなる。The BaTiO of the present inventionThree -PbTiO
Three The method for producing a system single crystal is preferably BaTiOThree −
PbTiOThree Temperature of the green compact or sintered body at 1200 ° C or higher1
Single crystallization by heating at a temperature below 400 ° C
The step of performing BaTiO Three -PbTiOThree System compact
Alternatively, the sintered body is heated in a predetermined temperature range as described above.
BaTiOThree -PbTiOThree Bonding of single crystal
The crystal growth rate increases.
【0026】本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単
結晶の製造方法は、好ましくは、前記圧粉体または焼結
体を鉛雰囲気中で非溶融状態に保ったまま加熱し単結晶
化する工程を含むものである。鉛雰囲気を形成するため
の方法の一つとしては、BaTiO3 −PbTiO3 系
圧粉体または焼結体を非溶融状態で加熱する環境におい
て、鉛含有化合物を共存させて、前記鉛含有化合物から
鉛あるいは酸化鉛を蒸発させる方法が挙げられる。Ba
TiO3 −PbTiO3 系圧粉体または焼結体を鉛雰囲
気中で加熱することによって、BaTiO3 −PbTi
O3 系圧粉体または焼結体、あるいはBaTiO3 −P
bTiO3 系単結晶からの鉛あるいは酸化鉛等の蒸発を
防止することができる。これによりBaTiO3 −Pb
TiO3系単結晶の転位密度や気孔含有率の増加を抑制
し、高品質なBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶を製
造することができる。The method for producing a BaTiO 3 -PbTiO 3 single crystal of the present invention preferably comprises the step of heating the green compact or sintered body in a lead atmosphere while keeping it in a non-molten state to form a single crystal. Including. One way to form lead atmosphere, in an environment of heating the BaTiO 3 -PbTiO 3 system powder, or sintered in a non-molten state, coexist lead-containing compounds, from the lead-containing compound A method of evaporating lead or lead oxide may be used. Ba
By heating the TiO 3 -PbTiO 3 system powder, or sintered in a lead atmosphere, BaTiO 3 -PbTi
O 3 based green compact or sintered or BaTiO 3 -P,
Evaporation of lead or lead oxide from the bTiO 3 -based single crystal can be prevented. Thereby, BaTiO 3 -Pb
It is possible to suppress an increase in the dislocation density and the pore content of the TiO 3 -based single crystal, and to produce a high-quality BaTiO 3 -PbTiO 3 -based single crystal.
【0027】さらに、本発明のBaTiO3 −PbTi
O3 系単結晶の製造方法は、BaTiO3 系単結晶ある
いはBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶を種結晶と
し、平均粒径20μm以下の結晶粒から構成され、相対
密度95%以上であるBaTiO3 −PbTiO3 系焼
結体を前記種結晶の{100}面、{110}面または
{111}面と接合し、非溶融状態に保ったまま加熱す
ることにより単結晶化することを特徴とする。そして、
より好ましくは、前記BaTiO3 −PbTiO 3 系圧
粉体または焼結体の含有する元素のモル比を0.995
0≦(Ba+Pb)/Ti≦0.9999の範囲とする
ものである。本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単
結晶の製造方法において、前述の条件でBaTiO3 −
PbTiO 3 系圧粉体または焼結体と種結晶を接合して
用いることにより、前記圧粉体または焼結体の種結晶と
の接合部分から安定して単結晶化が起こり、単結晶成長
の再現性が向上する。また、前記圧粉体または焼結体の
含有する元素のモル比が所定の範囲にあれば、BaTi
O3 −PbTiO3 系単結晶の結晶成長速度がより速く
なる。Further, the BaTiO of the present inventionThree -PbTi
OThree The method for producing a system single crystal is BaTiOThree There is a system single crystal
Or BaTiOThree -PbTiOThree System single crystal as seed crystal
And composed of crystal grains having an average particle size of 20 μm or less.
BaTiO having a density of 95% or moreThree -PbTiOThree Series
The consolidation is performed using the {100} plane, the {110} plane, or
Join with {111} surface and heat while keeping it in a non-molten state
Is characterized by being single-crystallized. And
More preferably, the BaTiOThree -PbTiO Three System pressure
The molar ratio of elements contained in the powder or sintered body is 0.995
0 ≦ (Ba + Pb) /Ti≦0.9999
Things. BaTiO of the present inventionThree -PbTiOThree System simple
In the method for producing a crystal, BaTiOThree −
PbTiO Three Bonding the seed crystal with the green compact or sintered body
By using, the green compact or the seed crystal of the sintered body and
Single crystallization occurs stably from the junction of
Reproducibility is improved. Further, the green compact or the sintered body
If the molar ratio of the contained elements is within a predetermined range, BaTi
OThree -PbTiOThree Faster growth rate of single crystal
Become.
【0028】さらに、本発明の圧電型アクチュエータ
は、前述したBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶から
なる層を含むことを特徴とし、また、本発明の液体吐出
ヘッドは、前記圧電型アクチュエータを備えることを特
徴とする。Further, a piezoelectric actuator according to the present invention includes the above-mentioned layer made of a BaTiO 3 -PbTiO 3 single crystal, and a liquid discharge head according to the present invention includes the piezoelectric actuator. It is characterized by.
【0029】本発明の圧電型アクチュエータおよび液体
吐出ヘッドは、圧電材料として、高い電気機械結合係
数、高い圧電定数、高いキュリー温度を併せ持つBaT
iO3−PbTiO3 系単結晶を用いることで、高出力
で、使用可能温度領域の広い圧電型アクチュエ−タおよ
び液体吐出ヘッドの実現を可能としたものであり、さら
に鉛含有量も少なく地球環境改善の観点からも好ましい
ものである。The piezoelectric actuator and the liquid discharge head of the present invention are made of a BaT having a high electromechanical coupling coefficient, a high piezoelectric constant, and a high Curie temperature as a piezoelectric material.
iO 3 -PbTiO 3 system by using a single crystal, high-power, broad piezoelectric actuator of usable temperature region - is obtained by allowing the realization of data and the liquid ejection head further lead content is also less environmentally It is preferable from the viewpoint of improvement.
【0030】本発明者らは、本発明により得られたBa
TiO3 −PbTiO3 系単結晶の結晶性に関して測定
を行い、さらに、本発明のBaTiO3 −PbTiO3
系単結晶の誘電性、圧電性、焦電性など、他の物性につ
いても検討を行ったところ、本発明のBaTiO3 −P
bTiO3 系単結晶は、結晶性に関する測定により、非
常に結晶性の優れたものであることが判明し、さらに、
X線回折、電子線回折からは、結晶方位が完全に一致し
た単結晶であることを確認した。また、後述するエッチ
ピット観察による転位密度の低さから、格子欠陥の少な
い良質の結晶であることが確認され、気孔含有率も非常
に少ないものであった。The present inventors have studied the Ba obtained by the present invention.
Was measured with respect to crystalline TiO 3 -PbTiO 3 system single crystal, further, BaTiO 3 -PbTiO 3 of the present invention
Dielectric system single crystal, piezoelectric, etc. pyroelectric, was investigated for the other physical properties, BaTiO 3 -P of the present invention
The bTiO 3 single crystal was found to be extremely excellent in crystallinity by measuring the crystallinity.
From X-ray diffraction and electron diffraction, it was confirmed that the crystal was a single crystal in which the crystal orientations were completely matched. In addition, from the low dislocation density observed by etch pit observation described later, it was confirmed that the crystal was a good quality crystal with few lattice defects, and the pore content was very low.
【0031】そして、本発明のBaTiO3 −PbTi
O3 系単結晶の物性に関しては、特に、圧電性において
優れた特性を見出した。それは、BaTiO3 多結晶は
もちろんのこと、現在、標準的に用いられているPZT
(Pb(Ti,Zr)O3 )多結晶やTSSG法で作製
されたBaTiO3 単結晶の特性を凌駕するものであっ
た。本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶を、
圧電材料としての観点から考えてみると、優れた圧電特
性と同時に、使用可能温度領域の広さと、鉛含有量の低
さを達成している点を長所として挙げることができる。
また、地球環境への負荷を軽減するために、近年、工業
製品における鉛使用量の削減が求められているが、本発
明のBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶について、現
在、圧電材料の主流となっているPZT多結晶と比較す
ると、組成の違いから、大幅に鉛の使用量を削減するこ
とができ、さらに圧電特性が著しく向上することによ
り、同一の効果を出現するのに必要な圧電材料の使用量
自体も大幅に削減できる。The BaTiO 3 —PbTi of the present invention
Regarding the physical properties of the O 3 -based single crystal, particularly excellent properties in piezoelectricity were found. It is not only the BaTiO 3 polycrystal but also the PZT
It surpassed the characteristics of the (Pb (Ti, Zr) O 3 ) polycrystal and the BaTiO 3 single crystal produced by the TSSG method. The BaTiO 3 -PbTiO 3 system single crystal of the present invention,
Considering from the viewpoint of the piezoelectric material, the advantages of achieving a wide usable temperature range and a low lead content at the same time as excellent piezoelectric characteristics can be cited.
In recent years, in order to reduce the burden on the global environment, the use of lead in industrial products has been required to be reduced in recent years. For the BaTiO 3 —PbTiO 3 single crystal of the present invention, the mainstream of piezoelectric materials is currently Compared with the PZT polycrystal, the amount of lead used can be greatly reduced due to the difference in composition, and the piezoelectric properties are significantly improved, so that the piezoelectric material required to produce the same effect is obtained. The amount of used itself can be greatly reduced.
【0032】[0032]
【発明の実施の形態】本発明のBaTiO3 −PbTi
O3 系単結晶は、Pbの含有モル数がBaの含有モル数
よりも少ないBaTiO3 −PbTiO3 系圧粉体また
は焼結体を非溶融状態に保ったまま加熱することにより
単結晶化されたものである。さらに、本発明のBaTi
O3 −PbTiO3 系単結晶は、前記BaTiO3 −P
bTiO3 系圧粉体または焼結体の含有する元素のモル
比を0.9800<(Ba+Pb)/Ti<1.000
0の範囲とし、前記圧粉体または焼結体を非溶融状態に
保ったまま加熱することにより単結晶化することが好ま
しい。より好ましくは、前記圧粉体または焼結体の含有
する元素のモル比を0.9900<(Ba+Pb)/T
i<1.0000の範囲とし、さらに好ましくは0.9
950≦(Ba+Pb)/Ti≦0.9999の範囲と
する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS BaTiO 3 -PbTi of the present invention
The O 3 -based single crystal is single-crystallized by heating a BaTiO 3 -PbTiO 3 -based green compact or a sintered body in which the mole number of Pb is smaller than the mole number of Ba while keeping it in a non-molten state. It is something. Furthermore, the BaTi of the present invention
The O 3 —PbTiO 3 -based single crystal is made of the BaTiO 3 —P
The molar ratio of the elements contained in the bTiO 3 -based green compact or sintered body is set to 0.9800 <(Ba + Pb) / Ti <1.000
It is preferable to set the range to 0 so that the green compact or the sintered body is heated while keeping it in a non-molten state to form a single crystal. More preferably, the molar ratio of the elements contained in the green compact or the sintered body is 0.9900 <(Ba + Pb) / T
i <1.0000, more preferably 0.9
950 ≦ (Ba + Pb) /Ti≦0.9999.
【0033】本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単
結晶における結晶成長の再現性向上の効果は、BaTi
O3 のみの組成の圧粉体または焼結体に対して本発明の
製造方法を適用しても発現されない。そのメカニズムの
確認は行われていないが次のように推測される。BaT
iO3 −PbTiO3 系圧粉体または焼結体を非溶融状
態に保ったまま加熱すると、前記圧粉体または焼結体の
表面では鉛あるいは鉛化合物が蒸発して外部へ拡散す
る。圧粉体または焼結体の表面では鉛が不足するため、
これを補うため圧粉体または焼結体の内部から表面への
鉛の移動が起きる。このときに圧粉体または焼結体の内
部の結晶粒界が移動し易くなり、安定した結晶成長が起
きるものと考えられる。The effect of improving the reproducibility of crystal growth in the BaTiO 3 -PbTiO 3 single crystal of the present invention is as follows.
Even if the production method of the present invention is applied to a green compact or a sintered body having a composition of only O 3, no expression occurs. The mechanism has not been confirmed, but is presumed as follows. BaT
When heated while maintaining iO 3 -PbTiO 3 system powder compact or sintered in a non-molten state, in the green compact or the surface of the sintered body of lead or a lead compound to diffuse to the outside and evaporated. Due to lack of lead on the surface of the compact or sintered body,
In order to compensate for this, the movement of lead from the inside of the compact or the sintered body to the surface occurs. At this time, it is considered that the crystal grain boundaries inside the green compact or the sintered body easily move, and stable crystal growth occurs.
【0034】本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単
結晶は、出発物質であるBaTiO 3 −PbTiO3 系
圧粉体または焼結体のPbTiO3 の含有率が45モル
%以下であることが好ましい。前記圧粉体または焼結体
のPbTiO3 の含有率を45モル%以下とすることに
より、単結晶の成長速度がより促進されるとともに、よ
り安定的に単結晶物質を作製することができる。その結
果得られるBaTiO 3 −PbTiO3 系単結晶の組成
は出発物質であるBaTiO3 −PbTiO3系圧粉体
または焼結体の組成とほぼ同一となる。より好ましいP
bTiO3 の含有量は、30モル%以下であり、さらに
好ましくは25モル%以下である。なお、PbTiO3
の含有量が多過ぎると、BaTiO3 −PbTiO3 系
圧粉体、焼結体または単結晶からの鉛の蒸発が顕著にな
る。これによって、得られるBaTiO3 −PbTiO
3 系単結晶の組成が変動して目的とする組成からのずれ
を生じる。さらに得られるBaTiO3 −PbTiO3
系単結晶がポ−ラスなものとなりやすい。この鉛の蒸発
を抑制するには圧力容器の利用が不可欠であり、製造コ
ストアップに導かれる欠点を伴う。また、前記BaTi
O3 −PbTiO3系圧粉体または焼結体におけるPb
TiO3 の最少含有量としては、より好ましくは0.0
1モル%以上であり、さらに好ましくは0.02モル%
以上である。BaTiO of the present inventionThree -PbTiOThree System simple
The crystals are BaTiO, the starting material. Three -PbTiOThree system
Compacted or sintered PbTiOThree Content of 45 mol
% Is preferable. The green compact or the sintered body
PbTiOThree Content of 45 mol% or less
The single crystal growth rate is further promoted, and
A single crystal material can be manufactured more stably. The result
BaTiO obtained Three -PbTiOThree Composition of single crystal
Is the starting material BaTiOThree -PbTiOThreeSystem compact
Alternatively, the composition becomes almost the same as the composition of the sintered body. More preferred P
bTiOThree Is 30 mol% or less, and
Preferably it is 25 mol% or less. In addition, PbTiOThree
If the content ofThree -PbTiOThree system
Evaporation of lead from green compacts, sintered compacts or single crystals is remarkable.
You. The resulting BaTiOThree -PbTiO
Three Deviation from the target composition due to fluctuations in the composition of the base single crystal
Is generated. Further obtained BaTiOThree -PbTiOThree
The system single crystal tends to be porous. Evaporation of this lead
The use of pressure vessels is indispensable to control
With the drawback that leads to the stop-up. In addition, the BaTi
OThree -PbTiOThreePb in green compact or sintered body
TiOThree As the minimum content of
1 mol% or more, more preferably 0.02 mol%
That is all.
【0035】また、本発明のBaTiO3 −PbTiO
3 系単結晶は、BaTiO3 −PbTiO3 系圧粉体ま
たは焼結体を、好ましくは1200℃以上1400℃以
下の温度範囲で加熱することにより単結晶化される。こ
のように所定の温度範囲で加熱することによって速い結
晶成長速度で製造することができる。The BaTiO 3 -PbTiO of the present invention
The 3- series single crystal is single-crystallized by heating a BaTiO 3 -PbTiO 3 -based green compact or sintered body, preferably in a temperature range of 1200 ° C. or more and 1400 ° C. or less. By heating in a predetermined temperature range in this manner, it is possible to produce a crystal at a high crystal growth rate.
【0036】また、本発明のBaTiO3 −PbTiO
3 系単結晶は、BaTiO3 系単結晶あるいはBaTi
O3 −PbTiO3 系単結晶等の他の単結晶を種結晶と
し、BaTiO3 −PbTiO3 系圧粉体または焼結体
に前記種結晶を接合し、これを加熱保持することによっ
てさらに安定化した結晶成長により製造することができ
る(なお、多結晶体と種結晶は、結晶構造が一致してい
ることが前提であり、多結晶体と種結晶との格子定数お
よび熱膨張係数の双方が±15%以内であることが好ま
しい)。図1の(a)〜(d)に、BaTiO3 −Pb
TiO3 系圧粉体または焼結体3に種結晶として所定の
単結晶1を接合し、非溶融状態で加熱することにより、
本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶を製造し
た時の結晶成長の様子を示す。図1の(b)に見られる
ように、BaTiO3 −PbTiO3 系圧粉体または焼
結体3の種結晶1との接合部分、特に周辺領域におい
て、結晶成長が著しく起こっていることがわかる。これ
は、前記周辺領域において特に鉛の移動が激しく起こっ
ているためと考えられ、前述の結晶成長のメカニズムを
支持する現象であると考えられる。代表的に図1の
(c)において、符号5が単結晶化した部分、符号7が
多結晶体の部分を示す。The BaTiO 3 -PbTiO of the present invention
The 3 system single crystal is a BaTiO 3 system single crystal or BaTi
Another single crystal such as an O 3 -PbTiO 3 -based single crystal is used as a seed crystal, and the seed crystal is joined to a BaTiO 3 -PbTiO 3 -based compact or sintered body, and further stabilized by heating and holding the seed crystal. (Note that it is premised that the polycrystal and the seed crystal have the same crystal structure, and that both the lattice constant and the thermal expansion coefficient of the polycrystal and the seed crystal are different. It is preferably within ± 15%). 1A to 1D show BaTiO 3 -Pb.
By bonding a predetermined single crystal 1 as a seed crystal to a TiO 3 -based green compact or sintered body 3 and heating it in a non-molten state,
Shows the state of crystal growth when the production of BaTiO 3 -PbTiO 3 system single crystal of the present invention. As shown in FIG. 1B, it can be seen that crystal growth occurs remarkably in the joint portion between the BaTiO 3 -PbTiO 3 green compact or the sintered body 3 and the seed crystal 1, particularly in the peripheral region. . This is considered to be because lead movement particularly occurred in the peripheral region, and is considered to be a phenomenon supporting the above-described crystal growth mechanism. Typically, in FIG. 1C, reference numeral 5 indicates a single crystallized portion, and reference numeral 7 indicates a polycrystalline portion.
【0037】このように種結晶を用いた場合、BaTi
O3 −PbTiO3 系単結晶の結晶方位を接合した種結
晶の配向に一致させることができる。さらに、本発明の
BaTiO3 −PbTiO3 系単結晶は、BaTiO3
系単結晶あるいはBaTiO 3 −PbTiO3 系単結晶
を種結晶とし、平均粒径20μm以下の結晶粒から構成
され、相対密度95%以上であるBaTiO3 −PbT
iO3 系焼結体を前記種結晶の{100}面、{11
0}面または{111}面と接合し、非溶融状態に保っ
たまま加熱することにより単結晶化してもよい。ここで
種結晶として用いられるBaTiO3 系単結晶あるいは
BaTiO3 −PbTiO3 系単結晶は、本発明のBa
TiO3 −PbTiO3 系単結晶の製造方法で作製され
たもの、あるいは、一般的な焼結法によって作製された
ものを用いても良いし、フラックス法やTSSG法によ
って作製されたものを用いても良い。また、理由は明ら
かではないが、本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系
単結晶の製造方法で作製された単結晶を種結晶として用
いた場合、フラックス法やTSSG法によって作製され
た単結晶を用いるよりも、より品質の優れたBaTiO
3 −PbTiO3 系単結晶を作製することができる。When the seed crystal is used as described above, BaTi
OThree -PbTiOThree Seeds in which the crystal orientations of a single crystal are bonded
Crystal orientation can be matched. Furthermore, the present invention
BaTiOThree -PbTiOThree The system single crystal is BaTiOThree
System single crystal or BaTiO Three -PbTiOThree Single crystal
Is a seed crystal and is composed of crystal grains with an average particle size of 20 μm or less.
BaTiO having a relative density of 95% or moreThree -PbT
iOThree The system-based sintered body was formed by {100} plane of the seed crystal, {11}
Joined with {0} plane or {111} plane and kept in non-molten state
Single crystallization may be performed by heating while maintaining the temperature. here
BaTiO used as seed crystalThree System single crystal or
BaTiOThree -PbTiOThree The system single crystal is Ba of the present invention.
TiOThree -PbTiOThree Manufactured by the method of manufacturing
Or by a general sintering method
Can be used, or flux or TSSG methods
May be used. The reason is clear
However, the BaTiO of the present inventionThree -PbTiOThree system
Using a single crystal produced by a single crystal manufacturing method as a seed crystal
If it is, it is manufactured by flux method or TSSG method.
BaTiO with better quality than using a single crystal
Three -PbTiOThree A system single crystal can be produced.
【0038】本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単
結晶の製造方法は、BaTiO3 −PbTiO3 系圧粉
体または焼結体を、好ましくは鉛雰囲気中で非溶融状態
に保ったまま加熱し単結晶化する工程を含むものであ
る。鉛雰囲気を形成するための方法の一つとしては、B
aTiO3 −PbTiO3 系圧粉体または焼結体を加熱
する環境において、例えばPZT、PbTiO3 などの
鉛含有化合物を共存させて、前記鉛含有化合物から鉛あ
るいは酸化鉛を蒸発させる方法が挙げられる。このこと
により、育成中のBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶
の組成変動(特にBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶
からの鉛の蒸発)を抑制できて、さらに結晶化速度を上
げることができる。The method for producing a BaTiO 3 -PbTiO 3 system single crystal of the present invention, a BaTiO 3 -PbTiO 3 system powder, or sintered, preferably heated while keeping the unmelted in lead atmosphere single It includes a step of crystallization. One of the methods for forming a lead atmosphere is B
in an environment of heating the ATiO 3 -PbTiO 3 system green compact or sintered body, a method, for example, PZT, coexist lead-containing compounds such as PbTiO 3, evaporation of the lead or lead oxide from the lead-containing compound . Thus, it is possible to suppress the BaTiO 3 -PbTiO 3 system composition fluctuation of the single crystal during growth (especially the evaporation of lead from BaTiO 3 -PbTiO 3 system single crystal) can be further increased crystallization rate.
【0039】しかしながら、PbTiO3 の含有率が3
0モル%を超えるBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶
を作製する場合、特に鉛の蒸発が顕著になり、目的組成
からの組成変動を生じ易くなる。さらに得られる単結晶
の気孔含有率が高くなりやすい。鉛の蒸発を抑制するに
は前述した様な鉛雰囲気下で加熱工程を行うだけでは不
十分となることが多い。例えば、圧力容器内で1気圧を
超える圧力下での加熱工程を行うことが好ましい。HI
P等の圧力容器を用いた焼結法による単結晶合成は比較
的長い熱処理時間(10時間以上)が必要であり、常圧
でのそれと比べて生産性とコストの面では不利となる。
本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶は、転位
密度が102 個/cm2 以上106 個/cm2 以下であ
り、気孔含有率が1体積ppm以上5体積%以下である
ことが望ましい。これにより、本発明の単結晶は、誘電
損失が小さく、電気機械結合係数の大きいものになる。
例えば誘電損失としては1%以下、電気機械結合係数が
85%を超えるものとなる。However, when the content of PbTiO 3 is 3
If making more than 0 mol% BaTiO 3 -PbTiO 3 system single crystal, in particular evaporation of lead becomes remarkable, easily occurs a composition change from target composition. Further, the pore content of the obtained single crystal tends to increase. In order to suppress the evaporation of lead, it is often not enough to perform the heating step in a lead atmosphere as described above. For example, it is preferable to perform a heating step under a pressure exceeding 1 atm in a pressure vessel. HI
Single crystal synthesis by a sintering method using a pressure vessel such as P requires a relatively long heat treatment time (10 hours or more), which is disadvantageous in terms of productivity and cost as compared with that under normal pressure.
BaTiO 3 -PbTiO 3 system single crystal of the present invention, dislocation density is 10 2 / cm 2 or more 10 6 / cm 2 or less, it is desirable pore content is 5 vol% or more 1 ppm by volume . Thereby, the single crystal of the present invention has a small dielectric loss and a large electromechanical coupling coefficient.
For example, the dielectric loss is 1% or less, and the electromechanical coupling coefficient exceeds 85%.
【0040】また、本発明のBaTiO3 −PbTiO
3 系単結晶は、1mm3 以上の体積を有することが望ま
しい。1mm3 以上の体積を有することより、大面積化
などにより各種多様なサイズのデバイスに対応すること
が可能となる。The BaTiO 3 -PbTiO of the present invention
It is desirable that the 3- series single crystal has a volume of 1 mm 3 or more. By having a volume of 1 mm 3 or more, it is possible to cope with devices of various sizes by increasing the area.
【0041】また、本発明の製造方法においてBaTi
O3 −PbTiO3 系圧粉体または焼結体を作製するた
めに使用する原料粉末は、特に限定されるものではない
が、例えば以下のものを挙げることができる。固相反応
を用いる場合は、1)BaO(BaCO3 や蓚酸バリウ
ムの熱分解により得られる)とTiO2 との混合粉末の
仮焼によりBaTiO3 粉末を作製し、PbOとTiO
2 との混合粉末の仮焼によりPbTiO3 粉末を作製し
て、これらの粉末を混合したもの、さらには、2)Ba
O、PbOおよびTiO2 粉末から直接作製されたBa
TiO3 −PbTiO3 系粉末などが挙げられる。In the manufacturing method of the present invention, BaTi
The raw material powder used for producing the O 3 —PbTiO 3 green compact or the sintered body is not particularly limited, and examples thereof include the following. When the solid-phase reaction is used, 1) BaTiO 3 powder is prepared by calcining a mixed powder of BaO (obtained by thermal decomposition of BaCO 3 or barium oxalate) and TiO 2, and PbO and TiO
PbTiO 3 powder was prepared by calcination of a powder mixture with Pb 2 and a mixture of these powders, and 2) Ba
Ba made directly from O, PbO and TiO 2 powder
Such as TiO 3 -PbTiO 3 system powder.
【0042】また、共沈法や蓚酸法などの湿式法や水熱
法により得られたBaTiO3 粉末やPbTiO3 粉末
を混合したものや、共沈法や蓚酸法などの湿式法や水熱
法により得られたBaTiO3 −PbTiO3 系粉末な
どを挙げることができる。原料粉末は、その一次粒子の
平均粒径が0.05〜5μmの範囲にあることが望まし
い。また、前述したように、この原料粉末から得られて
出発物質となるBaTiO3 −PbTiO3 系圧粉体ま
たは焼結体の含有する元素のモル比が0.9800<
(Ba+Pb)/Ti<1.0000となるように原料
粉末を調整しておくことが好ましい。また、より好まし
くはBaTiO3 −PbTiO3 系圧粉体または焼結体
の含有する元素のモル比が0.9900<(Ba+P
b)/Ti<1.0000となるように原料粉末を調整
するのがよく、さらに好ましくは0.9950≦(Ba
+Pb)/Ti≦0.9999となるようにする。組成
調整された粉末は、一軸プレスや冷間静水圧プレス等の
一般的な成形を行って圧粉体とする。得られた圧粉体は
通常の条件で焼結することにより焼結体としてもよい。
これらの圧粉体または焼結体を非溶融状態で加熱するこ
とによって、BaTiO 3 −PbTiO3 系単結晶であ
る平均粒径1mm以上の粗大結晶粒が得られる。非溶融
状態での加熱は、より好ましくは1200℃以上140
0℃以下の温度範囲で行われる。さらに上述の方法で得
られた単結晶を種結晶として用いることで、より大きな
BaTiO3 −PbTiO3 系単結晶を比較的容易に作
製することもできる。Also, a wet method such as a coprecipitation method or an oxalic acid method, or a hydrothermal method
BaTiO obtained by the methodThree Powder or PbTiOThree Powder
Or wet method such as coprecipitation method or oxalic acid method, or hydrothermal
BaTiO obtained by the methodThree -PbTiOThree System powder
And so on. The raw material powder is
Preferably, the average particle size is in the range of 0.05 to 5 μm.
No. Also, as mentioned above,
BaTiO as starting materialThree -PbTiOThree System
Or the molar ratio of the elements contained in the sintered body is 0.9800 <
Raw materials so that (Ba + Pb) / Ti <1.0000
It is preferable to prepare the powder. Also more preferred
Or BaTiOThree -PbTiOThree System compact or sintered body
Is 0.9900 <(Ba + P
b) Adjust raw material powder so that /Ti<1.0000
And more preferably 0.9950 ≦ (Ba
+ Pb) /Ti≦0.9999. composition
The adjusted powder is used in a uniaxial press or cold isostatic press.
A general compact is formed into a green compact. The resulting green compact
A sintered body may be obtained by sintering under ordinary conditions.
Heat these compacts or sintered bodies in a non-molten state.
And BaTiO Three -PbTiOThree System single crystal
A large crystal grain having an average particle size of 1 mm or more is obtained. Non-melting
Heating in the state is more preferably 1200 ° C. or more and 140 ° C.
It is performed in a temperature range of 0 ° C. or less. Further obtained in the manner described above
By using the obtained single crystal as a seed crystal,
BaTiOThree -PbTiOThree System-based single crystals relatively easily
It can also be made.
【0043】上述のように、より大きなBaTiO3 −
PbTiO3 系単結晶を容易に作製するためには、他の
単結晶を種結晶として用いることが好ましい。出発物質
であるBaTiO3 −PbTiO3 系圧粉体または焼結
体と種結晶を接合し、これを加熱保持することで単結晶
化を行う。好ましい種結晶としては、BaTiO3 系単
結晶、BaTiO3 −PbTiO3 系単結晶を挙げるこ
とができる。好ましい種結晶の作製方法としては、本発
明のBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶の製造方法、
一般的な焼結法、あるいはTSSG法、フラックス法な
どの溶融凝固法を挙げることができる。特に、本発明の
BaTiO3 −PbTiO3 系単結晶の製造方法による
単結晶を種結晶として用いると、得られるBaTiO3
−PbTiO3 系単結晶の結晶欠陥を抑制できる傾向に
あり好ましい。種結晶は{100}面、{110}面ま
たは{111}面を切り出して、これを研磨して接合面
とする。As mentioned above, the larger BaTiO 3 −
In order to easily produce a PbTiO 3 single crystal, it is preferable to use another single crystal as a seed crystal. Joining the BaTiO 3 -PbTiO 3 system green compact or sintered body and the seed crystal as a starting material, performing single crystallization by heating maintained. Preferred seed crystals include BaTiO 3 -based single crystals and BaTiO 3 -PbTiO 3 -based single crystals. As a preferable method for producing a seed crystal, a method for producing a BaTiO 3 —PbTiO 3 single crystal of the present invention,
Examples include a general sintering method and a melt solidification method such as a TSSG method and a flux method. In particular, the use of single crystal by the production method of BaTiO 3 -PbTiO 3 system single crystal of the present invention as seed crystals, obtained BaTiO 3
-PbTiO 3 -based single crystal is preferable because it tends to suppress crystal defects. The seed crystal is cut out of a {100} plane, a {110} plane or a {111} plane, and polished to form a bonding surface.
【0044】また、種結晶を用いて単結晶化を行う場
合、単結晶化させるBaTiO3 −PbTiO3 焼結体
の含有する元素のモル比は0.9800<(Ba+P
b)/Ti<1.0000となるように調整することが
好ましい。より好ましくは0.9900<(Ba+P
b)/Ti<1.0000となるように調整し、さらに
好ましくは0.9950≦(Ba+Pb)/Ti≦0.
9999となるようにする。さらに、焼結体は、結晶粒
の平均粒径が20μm以下、相対密度が95%以上とな
るまで焼結しておく。焼結方法としては特に制限される
ものではないが、例えば、常圧焼結、ホットプレス、H
IP(熱間等方圧プレス)等が挙げられる。なお、焼結
体の気孔含有率が5体積%を超えると結晶成長して得ら
れた単結晶中の気孔含有率も増大し、機械的強度が低下
し好ましくない。特に鉛の含有量が多い組成において
は、単結晶育成途中の鉛の蒸発により、気孔含有率が大
きくなりやすい。したがって、この場合は特に焼結体の
気孔含有率を5体積%以下に留めることが好ましい。こ
の焼結体および種結晶の接合面は、表面粗度Ra=1.
0nm以下、平坦度λ(λ=633nm)以下にそれぞ
れ精密研磨することが好ましい。焼結体の研磨面と種結
晶の研磨面は直接接触させてもよいし、その接触面に不
純物とならないBa,Pb,Ti成分を含む有機酸また
は無機酸などを塗布してから接触させてもよい。また、
互いの研磨面を接触させた種結晶と焼結体は、自重ある
いは9.8MPa程度以下の加重下で一定時間加熱する
ことにより接合することが好ましい。さらに、接合工程
での試料表面近傍からの鉛の蒸発を抑制するためには、
鉛雰囲気中で接合を行うことが好ましい。In the case of performing single crystallization using a seed crystal, the molar ratio of elements contained in the BaTiO 3 —PbTiO 3 sintered body to be single crystallized is 0.9800 <(Ba + P
It is preferable to adjust so that b) / Ti <1.0000. More preferably, 0.9900 <(Ba + P
b) / Ti <1.0000, more preferably 0.9950 ≦ (Ba + Pb) / Ti ≦ 0.
9999. Further, the sintered body is sintered until the average grain size of the crystal grains becomes 20 μm or less and the relative density becomes 95% or more. Although the sintering method is not particularly limited, for example, normal pressure sintering, hot pressing, H
IP (hot isostatic pressing) and the like. If the porosity of the sintered body exceeds 5% by volume, the porosity in the single crystal obtained by crystal growth increases, and the mechanical strength decreases, which is not preferable. In particular, in a composition having a high lead content, the lead content tends to increase due to evaporation of the lead during the growth of the single crystal. Therefore, in this case, it is particularly preferable to keep the pore content of the sintered body at 5% by volume or less. The joining surface of the sintered body and the seed crystal has a surface roughness Ra = 1.
It is preferable to perform precision polishing to a thickness of 0 nm or less and a flatness λ (λ = 633 nm) or less. The polished surface of the sintered body may be in direct contact with the polished surface of the seed crystal, or an organic or inorganic acid containing Ba, Pb, or Ti, which does not become an impurity, is applied to the contact surface and then brought into contact. Is also good. Also,
It is preferable that the seed crystal and the sintered body, whose polishing surfaces are brought into contact with each other, are joined by heating for a predetermined time under their own weight or under a load of about 9.8 MPa or less. Furthermore, in order to suppress the evaporation of lead from near the sample surface in the joining step,
Preferably, the joining is performed in a lead atmosphere.
【0045】本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単
結晶体は、結晶成長を促進させる目的で、ペロブスカイ
トABO3 構造のAサイトやBサイトに置換不能または
極めて置換し難い微量の添加物を加えたり、ペロブスカ
イトABO3 構造のAサイトあるいはBサイトを他の元
素で置換したり、サイト置換の目的で他のペロブスカイ
ト構造の第三成分を固溶させてもよい。これらの量は特
に制限されるものではないが、好ましい量としては、微
量の添加物としては10重量%以下、Aサイトあるいは
Bサイトを置換する元素としては各サイトの10モル%
以下、固溶させる第三成分としては全成分の10モル%
以下である。これらの成分の種類は特に制限されるもの
ではないが、好ましくは、Na,K,Ca,Cr,C
o,Bi,Sr,La,Zr,Sn,Mg,Mn,Z
n,Nb,Ta,Niなどの元素(イオン)、あるいは
これらの元素を含む酸化物や複合酸化物を挙げることが
できる。また、結晶成長促進のための不純物成分は、結
晶成長界面の移動とともに極一部は不純物として単結晶
内の残存するが、大半の成分は成長した結晶の末端部に
移動するので、実用上は問題とならない。The BaTiO 3 -PbTiO 3 single crystal of the present invention may contain a small amount of an additive that cannot be substituted or is extremely difficult to be substituted at the A site or the B site of the perovskite ABO 3 structure for the purpose of promoting the crystal growth. Alternatively, the A site or the B site of the perovskite ABO 3 structure may be replaced with another element, or a third component of another perovskite structure may be dissolved for the purpose of site replacement. These amounts are not particularly limited, but preferred amounts are 10% by weight or less as a trace amount of an additive, and 10% by mole of each site as an element to replace the A site or the B site.
Hereinafter, the third component to be dissolved is 10 mol% of all components.
It is as follows. The type of these components is not particularly limited, but preferably, Na, K, Ca, Cr, C
o, Bi, Sr, La, Zr, Sn, Mg, Mn, Z
Examples include elements (ions) such as n, Nb, Ta, and Ni, and oxides and composite oxides containing these elements. In addition, the impurity component for promoting the crystal growth partially remains in the single crystal as an impurity as the crystal growth interface moves, but most of the components move to the end of the grown crystal. Not a problem.
【0046】ところで、圧粉体、焼結体あるいは単結晶
におけるBa,Pb,Ti等の元素分析は、蛍光X線分
析、ICP(発光プラズマ)分析、ICP−MASS
(発光プラズマ−質量)分析等の分析方法に基づいて、
それぞれ専用の分析装置を用いて行うことができる。ま
た、単結晶の結晶性や配向性は、後述する転位密度の測
定でも用いられているエッチピット像の観察や、X線回
折のin−plane測定およびout−of−pla
ne測定、電子線回折の測定等の方法によって確認する
ことができる。The elemental analysis of Ba, Pb, Ti and the like in a green compact, a sintered body or a single crystal includes X-ray fluorescence analysis, ICP (emission plasma) analysis, and ICP-MASS.
Based on an analysis method such as (emission plasma-mass) analysis,
Each can be performed using a dedicated analyzer. Further, the crystallinity and orientation of the single crystal can be determined by observing an etch pit image used in the measurement of dislocation density described later, in-plane measurement of X-ray diffraction, and out-of-plane.
It can be confirmed by methods such as ne measurement and electron diffraction measurement.
【0047】焼結体および育成した単結晶中の気孔含有
率に関しては、その値が0.1体積%程度以上の場合
は、鏡面研摩した後の試料表面に露出した気孔量(気孔
面積)を反射顕微鏡、SEM(走査型電子顕微鏡)等で
測定し、測定面積との比から算出できる。また、0.1
体積%程度以下の場合はこの方法では精度に欠けるの
で、数10μm厚さ程度の薄片を作製し、透過顕微鏡の
観察視野内に存在する気孔サイズと数を測定し、観察容
積との比から求める。When the value of the pore content in the sintered body and the grown single crystal is about 0.1% by volume or more, the amount of pores (pore area) exposed on the sample surface after mirror polishing is determined. It can be measured by a reflection microscope, SEM (scanning electron microscope) or the like, and can be calculated from the ratio to the measured area. Also, 0.1
In the case of less than about% by volume, this method lacks accuracy. Therefore, a thin piece having a thickness of about several tens of μm is prepared, the pore size and the number present in the observation field of the transmission microscope are measured, and the ratio is determined from the ratio to the observation volume. .
【0048】また、単結晶中の転位は、単結晶の結晶面
をHCl−HF溶液等の腐食剤にて腐食することによっ
て食凹(エッチピット=転位)として顕微鏡等を用いて
観察することができる。具体的には、数100〜100
0μm2 に発生した転位(エッチピット)数をカウント
し、これを1cm2 当たりに換算することで転位密度を
求めることができる。Dislocations in a single crystal can be observed using a microscope or the like as pits (etch pits = dislocations) by corroding the crystal face of the single crystal with a corrosive agent such as an HCl-HF solution. it can. Specifically, several 100 to 100
The dislocation density can be determined by counting the number of dislocations (etch pits) generated at 0 μm 2 and converting this to 1 cm 2 .
【0049】[0049]
【実施例】以下に具体的な実施例を挙げて本発明をさら
に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるもの
ではない。The present invention will be described in more detail with reference to specific examples below, but the present invention is not limited to these examples.
【0050】(実施例1)TiO2 (26.7557
g),PbO(0.7440g)およびBaCO3(6
5.1209g)を湿式混合し、乾燥後1100℃で5
時間仮焼して粉砕するとともにこれを成形(直径16m
mのディスク形状)した。このとき形成した圧粉体にお
いて、含有する元素のモル比は(Ba+Pb)/Ti=
0.9950となっていた。これを1360℃で10時
間焼結して焼結体を得た。この焼結体は平均粒径約2.
0mmの粗大な結晶粒から構成されており、焼結体の組
成は99.0モル%BaTiO3 −1.0モル%PbT
iO3 となっていた。この焼結体から種結晶として粗大
結晶粒を取り出し、この結晶粒の(100)面を切り出
して、表面粗度Ra=0.2nm、平坦度λ/2に仕上
げた。一方、同じ配合を直径10mm×厚さ15mmの
ディスク形状に成形し、1280℃で3時間焼結して相
対密度97.3%の99.0モル%BaTiO3 −1.
0モル%PbTiO3 焼結体を得た。この焼結体を構成
する結晶粒の平均粒子径は約10μmであり、その組成
において(Ba+Pb)/Ti=0.9950となって
いた。この焼結体の端面を同じく表面粗度Ra=0.2
nm、平坦度λ/2に鏡面仕上げし、前述の種結晶と焼
結体の両研磨面をアセトン洗浄した後、両者を機械的に
接合させた。この状態を維持しながら、酸素雰囲気下1
360℃で40時間保持して、非溶融下で単結晶化を行
った。単結晶育成においては試料にマグネシア坩堝を被
せ、Pbの蒸発を抑制した。育成処理後は単結晶と接合
した面から約12mmまでが単結晶化していた。Example 1 TiO 2 (26.7557)
g), PbO (0.7440 g) and BaCO 3 (6
5.1209 g) were wet-mixed, dried and dried at 1100 ° C. for 5 minutes.
This is calcined for a period of time, crushed and molded
m disk shape). In the green compact formed at this time, the molar ratio of the contained elements is (Ba + Pb) / Ti =
0.9950. This was sintered at 1360 ° C. for 10 hours to obtain a sintered body. This sintered body has an average particle size of about 2.
It is composed of coarse crystal grains of 0 mm, and the composition of the sintered body is 99.0 mol% BaTiO 3 -1.0 mol% PbT
It has been a iO 3. Coarse crystal grains were taken out from the sintered body as seed crystals, and the (100) plane of the crystal grains was cut out to finish the surface roughness Ra = 0.2 nm and the flatness λ / 2. On the other hand, the same composition was formed into a disk shape having a diameter of 10 mm and a thickness of 15 mm, and sintered at 1280 ° C. for 3 hours to obtain 99.0 mol% BaTiO 3 having a relative density of 97.3%.
A 0 mol% PbTiO 3 sintered body was obtained. The average grain size of the crystal grains constituting this sintered body was about 10 μm, and the composition was (Ba + Pb) /Ti=0.9950. The end face of this sintered body was similarly subjected to surface roughness Ra = 0.2
After the mirror-finished surface with a nm and flatness of λ / 2, the above-mentioned polished surfaces of the seed crystal and the sintered body were washed with acetone, and then both were mechanically joined. While maintaining this state, 1
It was kept at 360 ° C. for 40 hours to perform single crystallization without melting. In growing the single crystal, the sample was covered with a magnesia crucible to suppress evaporation of Pb. After the growth treatment, the single crystal was formed from the surface bonded to the single crystal to about 12 mm.
【0051】この結果から、育成速度は0.3mm/h
であり、従来の溶融凝固法の育成速度より遥かに高速で
育成できることが判明した。また、種結晶を用いた焼結
法により得られた99.0モル%BaTiO3 −1.0
モル%PbTiO3 単結晶の気孔含有率は0.9体積%
であり、HCl−HF溶液中でエッチングして転位密度
を調べたところ、1×103 /cm2 であった。From the results, the growth rate was 0.3 mm / h
It was found that the growth could be performed at a much higher speed than the growth speed of the conventional melt solidification method. Further, 99.0 mol% of BaTiO 3 -1.0 obtained by a sintering method using a seed crystal.
The pore content of the mol% PbTiO 3 single crystal is 0.9% by volume.
When the dislocation density was examined by etching in an HCl-HF solution, it was 1 × 10 3 / cm 2 .
【0052】(実施例2)TiO2 (26.6486
g),PbO(5.2080g)およびBaCO3(6
1.1742g)を湿式混合し、乾燥後1150℃で5
時間仮焼して粉砕するとともにこれを成形(直径20m
mのディスク形状)した。このとき形成した圧粉体にお
いて、含有する元素のモル比は(Ba+Pb)/Ti=
0.9990となっていた。これを1350℃で10時
間焼結して焼結体を得た。この焼結体は平均粒径約3.
0mmの粗大な結晶粒から構成されており、焼結体の組
成は93.0モル%BaTiO3 −7.0モル%PbT
iO3 となっていた。この焼結体から種結晶として粗大
結晶粒を取り出し、この結晶粒の(110)面を切り出
して、表面粗度Ra=0.3nm、平坦度λ/4に仕上
げた。(Example 2) TiO 2 (26.6486)
g), PbO (5.2080 g) and BaCO 3 (6
1.1742 g) was wet-mixed, dried and dried at 1150 ° C. for 5 minutes.
This is calcined for a period of time, pulverized and molded (diameter 20 m).
m disk shape). In the green compact formed at this time, the molar ratio of the contained elements is (Ba + Pb) / Ti =
0.9990. This was sintered at 1350 ° C. for 10 hours to obtain a sintered body. This sintered body has an average particle size of about 3.
It is composed of coarse crystal grains of 0 mm, and the composition of the sintered body is 93.0 mol% BaTiO 3 -7.0 mol% PbT
It has been a iO 3. Coarse crystal grains were taken out from the sintered body as seed crystals, and the (110) plane of the crystal grains was cut out to finish the surface roughness Ra = 0.3 nm and the flatness λ / 4.
【0053】一方、同じ配合を直径10mm×厚さ20
mmのディスク形状に成形し、1250℃で3時間焼結
して相対密度99.1%の93.0モル%BaTiO3
−7.0モル%PbTiO3 焼結体を得た。焼結体を構
成する結晶粒の平均粒径は約8μmであった。この焼結
体の含有する元素のモル比は(Ba+Pb)/Ti=
0.9990となっていた。この焼結体の端面を表面粗
度Ra=0.2nm、平坦度λ/2に鏡面仕上げし、前
述の種結晶と焼結体の両研磨面をアセトン洗浄した後、
接合界面にBaCl3 とTiOCl2 の混合溶液(混合
比1:0.5の溶液)を塗り接合させた。この状態を維
持しながら、酸素雰囲気下1370℃で50時間保持し
て、非溶融下で単結晶化を行った。育成処理後は種結晶
と接合した面から約18mmまでが単結晶化していた。On the other hand, the same composition was prepared with a diameter of 10 mm and a thickness of 20 mm.
mm, and sintered at 1250 ° C. for 3 hours for 93.0 mol% BaTiO 3 having a relative density of 99.1%.
A −7.0 mol% PbTiO 3 sintered body was obtained. The average grain size of the crystal grains constituting the sintered body was about 8 μm. The molar ratio of the elements contained in this sintered body is (Ba + Pb) / Ti =
0.9990. The end face of the sintered body is mirror-finished to a surface roughness Ra of 0.2 nm and a flatness of λ / 2, and both polished surfaces of the seed crystal and the sintered body are washed with acetone,
A mixed solution of BaCl 3 and TiOCl 2 (solution having a mixing ratio of 1: 0.5) was applied to the bonding interface and bonded. While maintaining this state, it was kept at 1370 ° C. for 50 hours in an oxygen atmosphere to perform single crystallization without melting. After the growth treatment, a single crystal was formed from the surface bonded to the seed crystal to about 18 mm.
【0054】この結果から、育成速度は0.36mm/
hであり、従来の溶融凝固法の育成速度より遥かに高速
で育成できることが判明した。また、種結晶を用いた焼
結法により得られた93.0モル%BaTiO3 −7.
0モル%PbTiO3 単結晶の気孔含有率は0.8体積
%であり、HCl−HF溶液中でエッチングして転位密
度を調べたところ、5×102 /cm2 であった。From these results, it was found that the growth rate was 0.36 mm /
h, which indicates that the growth can be performed at a much higher speed than the growth speed of the conventional melt solidification method. Further, 93.0 mol% of BaTiO 3 -7.7 obtained by a sintering method using a seed crystal.
The pore content of the 0 mol% PbTiO 3 single crystal was 0.8% by volume, and the dislocation density was determined by etching in an HCl-HF solution. The dislocation density was 5 × 10 2 / cm 2 .
【0055】(実施例3)TSSG法で作製された市販
のBaTiO3 単結晶を方位(100)面で5×5×
0.5mmに切り出し、この面を表面粗度Ra=0.4
nm、平坦度λ/6に研磨した。一方、水熱法で作製し
たBaTiO3 (Ba/Ti=0.9996)粉末と固
相法で作成したPbTiO3 (Pb/Ti=1.000
0)粉末を99.8モル対0.2モルの割合で混合しポ
ットミル粉砕するとともにこれを成形(直径16mmの
ディスク形状)して、1280℃で3時間焼結して相対
密度98.9%の焼結体を作製した。得られた99.8
モル%BaTiO3−0.2モル%PbTiO3焼結体
は、その含有する元素のモル比が、(Ba+Pb)/T
i=0.9996となっていた。この99.8モル%B
aTiO3 −0.2モル%PbTiO3 焼結体を構成す
る結晶粒の平均粒径は約12μmであった。この焼結体
の端面を表面粗度Ra=0.4nm、平坦度λ/6に鏡
面仕上げし、前述の種結晶と焼結体の両研磨面をアセト
ン洗浄した後、両者を機械的に接合させた。この状態を
維持しながら、酸素雰囲気下1380℃で30時間保持
して、非溶融下で単結晶化を行った。育成処理後は種結
晶と接合した面から約11mmまでが単結晶化してい
た。(Example 3) A commercially available BaTiO 3 single crystal produced by the TSSG method was 5 × 5 ×
The surface was cut into 0.5 mm and this surface was subjected to surface roughness Ra = 0.4
and a flatness of λ / 6. On the other hand, BaTiO 3 (Ba / Ti = 0.9996) powder prepared by a hydrothermal method and PbTiO 3 (Pb / Ti = 1.000) prepared by a solid-phase method.
0) The powder was mixed at a ratio of 99.8 moles to 0.2 moles, pot-milled, molded (disc shape having a diameter of 16 mm), sintered at 1280 ° C for 3 hours, and subjected to a relative density of 98.9%. Was produced. 99.8 obtained
In the sintered body of mol% BaTiO3-0.2 mol% PbTiO3, the molar ratio of the contained elements is (Ba + Pb) / T
i = 0.9996. This 99.8 mol% B
The average grain size of the crystal grains constituting the aTiO 3 -0.2 mol% PbTiO 3 sintered body was about 12 μm. The end face of this sintered body is mirror-finished to a surface roughness Ra of 0.4 nm and a flatness of λ / 6, and both the polished surfaces of the seed crystal and the sintered body are washed with acetone and then mechanically joined to each other. I let it. While maintaining this state, it was kept at 1380 ° C. for 30 hours in an oxygen atmosphere to perform single crystallization without melting. After the growth treatment, a single crystal was formed from the surface bonded to the seed crystal to about 11 mm.
【0056】この結果から、育成速度は0.37mm/
hであり、従来の溶融凝固法の育成速度より遥かに高速
で育成できることが判明した。また、種結晶を用いた焼
結法により得られた99.8モル%BaTiO3 −0.
2モル%PbTiO3 単結晶の気孔含有率は0.7体積
%であり、HCl−HF溶液中でエッチングして転位密
度を調べたところ、5×103 /cm2 であった。From this result, the growth rate was 0.37 mm /
h, which indicates that the growth can be performed at a much higher speed than the growth speed of the conventional melt solidification method. Further, 99.8 mol% of BaTiO 3 -0.0.9 mol% obtained by a sintering method using seed crystals.
The pore content of the 2 mol% PbTiO 3 single crystal was 0.7% by volume, and the dislocation density was determined by etching in an HCl-HF solution. As a result, it was 5 × 10 3 / cm 2 .
【0057】(実施例4)実施例2と同一条件で焼結法
による単結晶育成を行った。但し、本実施例では150
×150×150mmの有効容積をもつモリブデンシリ
サイド発熱体の電気炉を用い、その中に試料を30個と
直径20mmのPZT焼結体を6個挿入して、100%
酸素雰囲気下で育成を行った。処理後のサンプルは長さ
18mm付近まで全て単結晶化していた。概略の生産速
度を算定すると、直径16mmで長さ18mmの試料
(容積3.6cm3 )が30個出来ているので、108
cm3/炉になる。育成に要した時間が50時間である
ので、時間当たり2.16cm 3 となり、生産性は極め
て高い。(Example 4) Sintering method under the same conditions as in Example 2
Was used to grow a single crystal. However, in this embodiment, 150
Molybdenum silicon with an effective volume of × 150 × 150mm
Using an electric furnace with side heating elements, and 30 samples in it
Insert 6 PZT sintered bodies with a diameter of 20mm, 100%
The growth was performed in an oxygen atmosphere. Sample length after processing
All were single-crystallized to around 18 mm. Approximate production speed
When calculating the degree, a sample with a diameter of 16 mm and a length of 18 mm
(Volume 3.6cmThree ) Is completed, so 108
cmThree/ Furnace. The time required for training is 50 hours
So 2.16cm per hour Three And productivity is extremely high
High.
【0058】(実施例5)1150℃で5時間仮焼して
粉砕することにより得られた固相法のBaTiO 3 (B
a/Ti=0.9973)粉末と湿式法で作製したPb
TiO3 (Pb/Ti=1.0000)粉末を75.0
モル対25.0モルの割合で湿式混合し、これを成形
(直径30mmのディスク形状)した。このとき成形し
た圧粉体において、含有する元素のモル比は(Ba+P
b)/Ti=0.9998となっていた。これを132
0℃で50時間焼結して焼結体を得た。この焼結体は粒
径約1.10mmの粗大な結晶粒から構成されており、
焼結体の組成は75.0モル%BaTiO3 −25.0
モル%PbTiO3 となっていた。この焼結体から7
5.0モル%BaTiO3 −25.0モル%PbTiO
3 粗大結晶粒(単結晶)を取り出した。Example 5 Calcination at 1150 ° C. for 5 hours
BaTiO of the solid-phase method obtained by pulverization Three (B
a / Ti = 0.9973) Powder and Pb prepared by wet method
TiOThree (Pb / Ti = 1.0000) powder to 75.0
Wet-mix at a ratio of 25.0 moles per mole and mold this
(Disc shape with a diameter of 30 mm). Molding at this time
In the compact, the molar ratio of the contained elements is (Ba + P
b) /Ti=0.9998. This is 132
Sintering was performed at 0 ° C. for 50 hours to obtain a sintered body. This sintered body is
It is composed of coarse crystal grains with a diameter of about 1.10 mm,
The composition of the sintered body is 75.0 mol% BaTiOThree −25.0
Mol% PbTiOThree It was. 7 from this sintered body
5.0 mol% BaTiOThree -25.0 mol% PbTiO
Three Coarse crystal grains (single crystals) were taken out.
【0059】このように焼結法により得られた75.0
モル%BaTiO3 −25.0モル%単結晶の気孔含有
率は3.2体積%であり、また、HCl−HF溶液中で
エッチングして転位密度を調べたところ、1×102 /
cm2 であり、結晶欠陥の少ないものであった。75.0 thus obtained by the sintering method.
The porosity of the mol% BaTiO 3 -25.0 mol% single crystal is 3.2% by volume, and the dislocation density is determined by etching in a HCl-HF solution to find 1 × 10 2 /
cm 2 and had few crystal defects.
【0060】(実施例6)実施例5と同様の方法で作製
したBaTiO3 (Ba/Ti=0.9973)粉末と
PbTiO3 (Pb/Ti=1.0000)粉末を7
5.0モル対25.0モルの割合で湿式混合し、これを
成形(直径20mmのディスク形状)した。このとき成
形した圧粉体において、含有する元素のモル比は(Ba
+Pb)/Ti=0.9998となっていた。これを1
190℃で5時間焼結した。この焼結体の組成は75.
0モル%BaTiO3 −25.0モル%PbTiO3 で
あり、相対密度は97.8%となっていた。この焼結体
は平均粒径約10μm結晶粒から構成されていた。この
焼結体の端面を表面粗度Ra=0.2nm、平坦度λ/
6に加工した。次に、種結晶として用いる溶融凝固法に
よるBaTiO3 単結晶の(100)端面を同一の精度
に加工した。前記焼結体と前記種結晶を両研摩面で接触
させ、9.8MPaの圧力をかけ1200℃で1時間の
接合を行った。接合した試料とともに30.0モル%B
aTiO3 −70.0モル%PbTiO 3 焼結体をセッ
ター上に置き、MgO坩堝を被せることで鉛雰囲気を形
成し1280℃、30時間で単結晶化を行った。育成処
理後は種結晶と接合した面から約14mmまでが単結晶
化していた。(Example 6) Fabricated by the same method as in Example 5.
BaTiOThree (Ba / Ti = 0.9973) powder and
PbTiOThree (Pb / Ti = 1.0000)
Wet-mix at a ratio of 5.0 moles to 25.0 moles,
It was molded (disc shape with a diameter of 20 mm). At this time
In the shaped green compact, the molar ratio of the contained elements is (Ba
+ Pb) /Ti=0.9998. This one
Sintered at 190 ° C. for 5 hours. The composition of this sintered body is 75.
0 mol% BaTiOThree -25.0 mol% PbTiOThree so
And the relative density was 97.8%. This sintered body
Was composed of crystal grains having an average particle size of about 10 μm. this
The end face of the sintered body was made to have a surface roughness Ra = 0.2 nm and a flatness λ /
6. Next, the melt solidification method used as a seed crystal
BaTiO byThree Same accuracy for (100) end face of single crystal
Processed to. Contact the sintered body and the seed crystal on both polished surfaces
And apply a pressure of 9.8 MPa for 1 hour at 1200 ° C.
Joining was performed. 30.0 mol% B with the bonded sample
aTiOThree -70.0 mol% PbTiO Three Set the sintered body
And place it over a MgO crucible to form a lead atmosphere.
Then, single crystallization was performed at 1280 ° C. for 30 hours. Upbringing
After processing, a single crystal is about 14 mm from the surface joined with the seed crystal.
Had been transformed.
【0061】この結果から、育成速度は0.47mm/
hであり、従来の溶融凝固法の育成速度より高速で育成
できた。焼結法により得られた75.0モル%BaTi
O3−25.0モル%PbTiO3 単結晶の気孔含有率
は2.1体積%であり、またHCl−HF溶液中でエッ
チングして転位密度を調べたところ、5×102 /cm
2 という結晶欠陥の少ないものであった。From the results, the growth rate was 0.47 mm /
h, and could be grown at a higher speed than the conventional melt-solidification method. 75.0 mol% BaTi obtained by sintering method
The porosity of the O 3 -25.0 mol% PbTiO 3 single crystal was 2.1% by volume, and the dislocation density was determined by etching in a HCl-HF solution to find that it was 5 × 10 2 / cm.
The crystal defect of 2 was small.
【0062】(実施例7)TiO2 (26.6753
g),PbO(5.2080g)およびBaCO3(6
1.1742g) を湿式混合し、乾燥後1150℃で
5時間仮焼して粉砕するとともにこれを成形(直径20
mmのディスク形状)した。この圧粉体の含有する元素
のモル比は(Ba+Pb)/Ti=0.9980となっ
ていた。これを1350℃で10時間焼結した。得られ
た焼結体は平均粒径約3.0mmの粗大な結晶粒から構
成されており、焼結体の組成は93.0モル%BaTi
O3 −7.0モル%PbTiO3 となっていた。この焼
結体から種結晶として粗大結晶粒を取り出し、この結晶
粒の(110)面を切り出して表面粗度Ra=0.3n
m、平坦度λ/4に仕上げた。Example 7 TiO 2 (26.6753)
g), PbO (5.2080 g) and BaCO 3 (6
1.1742 g), dried, calcined at 1150 ° C. for 5 hours, pulverized and molded (diameter 20
mm disk shape). The molar ratio of the elements contained in this compact was (Ba + Pb) /Ti=0.9980. This was sintered at 1350 ° C. for 10 hours. The obtained sintered body is composed of coarse crystal grains having an average particle size of about 3.0 mm, and the composition of the sintered body is 93.0 mol% BaTi
O 3 -7.0 mol% PbTiO 3 . Coarse crystal grains are taken out from the sintered body as seed crystals, and the (110) plane of the crystal grains is cut out to obtain a surface roughness Ra = 0.3n.
m and flatness λ / 4.
【0063】一方、同じ配合を直径10mm×厚さ20
mmのディスク形状に成形し、1250℃で3時間焼結
して相対密度99.1%の93.0モル%BaTiO3
−7.0モル%PbTiO3 を得た。この焼結体を構成
する結晶粒の平均粒子径は約7μmであり、この焼結体
の含有する元素のモル比は(Ba+Pb)/Ti=0.
9980となっていた。この焼結体の端面を表面粗度R
a=0.2nm、平坦度λ/2に鏡面仕上げし、前述の
種結晶とこの焼結体の両研磨面をアセトン洗浄した後、
接合界面にBaCl3 とTiOCl2 の混合溶液(混合
比1:0.5の溶液)を塗り接合させた。試料とPZT
焼結体を各1個をセッター上に置き、さらにMgO坩堝
を被せることによってPbを含む雰囲気を形成した。こ
の状態を維持しながら1370℃で20時間保持して、
非溶融下で単結晶化を行った。育成処理後は単結晶と接
合した面から約18mmまでが単結晶化していた。On the other hand, the same composition was prepared by mixing 10 mm in diameter × 20 mm in thickness.
mm, and sintered at 1250 ° C. for 3 hours for 93.0 mol% BaTiO 3 having a relative density of 99.1%.
-7.0 was obtained mole% PbTiO 3. The average grain size of the crystal grains constituting the sintered body is about 7 μm, and the molar ratio of the elements contained in the sintered body is (Ba + Pb) / Ti = 0.
9980. The end face of this sintered body is defined as a surface roughness R
a = 0.2 nm, mirror-finished to a flatness of λ / 2, and both the polished surfaces of the seed crystal and the sintered body are washed with acetone,
A mixed solution of BaCl 3 and TiOCl 2 (solution having a mixing ratio of 1: 0.5) was applied to the bonding interface and bonded. Sample and PZT
One sintered body was placed on a setter, and an atmosphere containing Pb was formed by further covering the MgO crucible. While maintaining this state, hold at 1370 ° C. for 20 hours,
Single crystallization was performed without melting. After the growing treatment, the single crystal was formed from the surface bonded to the single crystal to about 18 mm.
【0064】この結果から、育成速度は0.90mm/
hであり、実施例2で示したものよりさらに高速育成で
きることが判明した。また、焼結法により得られた9
3.0モル%BaTiO3 −7.0モル%PbTiO3
単結晶は、試料表層部のPb濃度が中心部のPb濃度と
ほとんど差が無く、試料全体が均一な組成的となってい
ることを確認した。作製した93.0モル%BaTiO
3 −7.0モル%PbTiO3 単結晶の気孔含有率は
0.4体積%であり、またHCl−HF溶液中でエッチ
ングして転位密度を調べたところ、5×102 /cm2
であった。From the results, it was found that the growth rate was 0.90 mm /
h, which indicates that growth can be performed at a higher speed than that shown in Example 2. In addition, 9 obtained by the sintering method
3.0 mol% BaTiO 3 -7.0 mol% PbTiO 3
In the single crystal, it was confirmed that the Pb concentration in the surface layer portion of the sample was hardly different from the Pb concentration in the central portion, and that the entire sample had a uniform composition. 93.0 mol% BaTiO produced
3 -7.0 porosity content of mol% PbTiO 3 single crystal is 0.4% by volume, also was examined by etching dislocation density HCl-HF solution, 5 × 10 2 / cm 2
Met.
【0065】(実施例8)実施例3と同様にTSSG法
で作製した市販のBaTiO3 単結晶を方位(111)
面で5×5×0.5mmに切り出し、この面を表面粗度
Ra=0.3nm、平坦度λ/4に研磨して種結晶とし
た。一方、蓚酸塩法で作製したBaTiO 3 (Ba/T
i=0.9993)粉末と固相法で作成したPbTiO
3 (Pb/Ti=0.9960)粉末を93.2モル対
6.8モルの割合で混合しポットミル粉砕するとともに
これを成形(直径16mmのディスク形状)して、12
00℃で1時間ホットプレス焼結して相対密度99.4
%の焼結体を作製した。得られた焼結体の組成は93.
2モル%BaTiO3 −6.8モル%PbTiO3 であ
った。焼結体の含有する元素のモル比は(Ba+Pb)
/Ti=0.9991となっており、焼結体は平均粒子
径約2μmの結晶粒で構成されていた。焼結体の端面を
表面粗度Ra=0.3nm、平坦度λ/4に鏡面仕上げ
し、前述の種結晶と焼結体の両研磨面をアセトン洗浄し
た後、両者を機械的に接合させた。接合した試料とPZ
T焼結体を各1個をセッター上に置き、さらにMgO坩
堝を被せることによってPbを含む雰囲気を形成した。
この状態を維持しながら、酸素雰囲気下1370℃で2
0時間保持して、非溶融下で単結晶化を行った。育成処
理後は種結晶と接合した面から約14mmまでが単結晶
化していた。(Embodiment 8) The TSSG method was performed in the same manner as in Embodiment 3.
BaTiO manufactured byThree Single crystal orientation (111)
Cut out 5 x 5 x 0.5 mm on the surface, this surface is the surface roughness
Ra = 0.3nm, flatness λ / 4 to make seed crystal
Was. On the other hand, BaTiO manufactured by the oxalate method Three (Ba / T
i = 0.9993) Powder and PbTiO prepared by solid phase method
Three (Pb / Ti = 0.9960) 93.2 moles of powder
Mix at 6.8 mol ratio and pulverize in a pot mill
This was molded (disk shape of 16 mm in diameter) and 12
Hot press sintering at 00 ° C for 1 hour and relative density of 99.4
% Sintered body was produced. The composition of the obtained sintered body was 93.
2 mol% BaTiOThree -6.8 mol% PbTiOThree In
Was. The molar ratio of the elements contained in the sintered body is (Ba + Pb)
/Ti=0.9991, and the sintered body is an average particle
It was composed of crystal grains having a diameter of about 2 μm. The end face of the sintered body
Mirror finish to surface roughness Ra = 0.3nm, flatness λ / 4
Then, both the polished surfaces of the seed crystal and the sintered body are washed with acetone.
After that, the two were mechanically joined. Bonded sample and PZ
Place one T sintered body on the setter, and further
An atmosphere containing Pb was formed by covering the pot.
While maintaining this state, 2370 at 1370 ° C. in an oxygen atmosphere
By holding for 0 hour, single crystallization was performed without melting. Upbringing
After processing, a single crystal is about 14 mm from the surface joined with the seed crystal.
Had been transformed.
【0066】この結果から、育成速度は0.70mm/
hであり、従来の溶融凝固法の育成速度より遥かに高速
で育成できることが判明した。また、種結晶を用いた焼
結法により得られた93.2モル%BaTiO3 −6.
8モル%PbTiO3 系単結晶の気孔含有率は0.2体
積%であり、また、HCl−HF溶液中でエッチングし
て転位密度を調べたところ、1×103 /cm2 であっ
た。From the results, it was found that the growth rate was 0.70 mm /
h, which indicates that the growth can be performed at a much higher speed than the growth speed of the conventional melt solidification method. Further, 93.2 mol% of BaTiO 3 −6. Obtained by a sintering method using a seed crystal.
The pore content of the 8 mol% PbTiO 3 single crystal was 0.2% by volume, and the dislocation density was determined by etching in an HCl-HF solution to find that it was 1 × 10 3 / cm 2 .
【0067】(実施例9)実施例3と同様にTSSG法
で作製した市販のBaTiO3 単結晶を方位(100)
面で5×5×0.5mmに切り出し、この面を表面粗度
Ra=0.3nm、平坦度λ/4に研磨して種結晶とし
た。一方、蓚酸塩法で作製したBaTiO 3 (Ba/T
i=0.9990)粉末と固相法で作成したPbTiO
3 (Pb/Ti=0.9980) 粉末を90.7モル
対9.3モルの割合で混合しポットミル粉砕するととも
にこれを成形(直径16mmのディスク形状)して、1
200℃で1時間O2 −HIP(雰囲気は20%O2 ,
圧力98MPa)焼結して相対密度99.96%の9
0.7モル%BaTiO3 −9.3モル%PbTiO3
焼結体を作製した。得られた焼結体は平均粒径約1μm
の結晶粒で構成されていた。この焼結体の含有する元素
のモル比は(Ba+Pb)/Ti=0.9989となっ
ていた。焼結体の端面を表面粗度Ra=0.3nm、平
坦度λ/4に鏡面仕上げし、前述の種結晶と焼結体の両
研磨面をアセトン洗浄した後、両者を機械的に接合させ
た。接合した試料とPZT焼結体を各1個をセッター上
に置き、さらにMgO坩堝を被せることによってPbを
含む雰囲気を形成した。この状態を維持しながら、酸素
雰囲気下1370℃で19時間保持して、非溶融下で単
結晶化を行った。育成処理後は種結晶と接合した面から
約18mmまでが単結晶化していた。(Embodiment 9) As in Embodiment 3, the TSSG method
BaTiO manufactured byThree Single crystal orientation (100)
Cut out 5 x 5 x 0.5 mm on the surface, this surface is the surface roughness
Ra = 0.3nm, flatness λ / 4 to make seed crystal
Was. On the other hand, BaTiO manufactured by the oxalate method Three (Ba / T
i = 0.9990) Powder and PbTiO prepared by solid phase method
Three (Pb / Ti = 0.9980) 90.7 mol of powder
Mixing at a ratio of 9.3 mol to pot mill grinding
This is molded (disk shape of 16 mm in diameter)
O for 1 hour at 200 ° CTwo -HIP (atmosphere is 20% OTwo ,
Pressure 98MPa) Sintered 9 with relative density of 99.96%
0.7 mol% BaTiOThree -9.3 mol% PbTiOThree
A sintered body was produced. The obtained sintered body has an average particle size of about 1 μm.
Was formed. Elements contained in this sintered body
Is (Ba + Pb) /Ti=0.9989.
I was The end face of the sintered body was made to have a surface roughness Ra = 0.3 nm,
Mirror finish to a flatness of λ / 4, both seed crystal and sintered body
After washing the polished surface with acetone, the two are mechanically joined.
Was. One piece each of the joined sample and PZT sintered body on the setter
And Pb by covering with MgO crucible
Atmosphere was formed. While maintaining this state,
Hold at 1370 ° C for 19 hours in an atmosphere, and simply
Crystallization was performed. After the growth process, from the surface joined with the seed crystal
Single crystallization had occurred up to about 18 mm.
【0068】この結果から、育成速度は0.95mm/
hであり、従来の溶融凝固法の育成速度より遥かに高速
で育成できることが判明した。また、種結晶を用いた焼
結法により得られたBaTiO3 −PbTiO3 単結晶
の気孔含有率は0.0003体積%であり、試料をHC
l−HF溶液中でエッチングして転位密度を調べたとこ
ろ、1×103 /cm2 であった。From the results, it was found that the growing speed was 0.95 mm /
h, which indicates that the growth can be performed at a much higher speed than the growth speed of the conventional melt solidification method. Further, the porosity content of BaTiO 3 -PbTiO 3 single crystal obtained by sintering method using a seed crystal was 0.0003 vol%, the sample HC
When the dislocation density was examined by etching in a 1-HF solution, it was 1 × 10 3 / cm 2 .
【0069】(実施例10)実施例3と同様にTSSG
法で作製された市販のBaTiO3 単結晶を方位(10
0)面で5×5×0.5mmに切り出し、この面を表面
粗度Ra=0.3nm、平坦度λ/4に研磨して種結晶
とした。一方、蓚酸塩法で作製したBaTiO3 (Ba
/Ti=0.9945)粉末と固相法で作成したPbT
iO3 (Pb/Ti=0.9952) 粉末を55.0
モル対45.0モルの割合で混合しポットミル粉砕する
とともにこれを成形(直径16mmのディスク形状)し
て、1200℃で1時間O2 −HIP(雰囲気は20%
O2 ,圧力98MPa)焼結して相対密度99.96%
の55.0モル%BaTiO3 −45.0モル%PbT
iO3 焼結体を作製した。得られた焼結体は平均粒径約
3μmの結晶粒で構成されていた。この焼結体の含有す
る元素のモル比は(Ba+Pb)/Ti=0.9948
となっていた。焼結体の端面を表面粗度Ra=0.3n
m、平坦度λ/4に鏡面仕上げし、前記の種結晶と焼結
体の両研磨面をアセトン洗浄した後、両者を機械的に接
合させた。接合した試料とPZT焼結体を各1個をセッ
ター上に置き、さらにMgO坩堝を被せることによって
Pbを含む雰囲気を形成した。この状態を維持しなが
ら、酸素雰囲気下1360℃で20時間保持して、非溶
融下で単結晶化を行った。育成処理後は種結晶と接合し
た面から約13mmまでが単結晶化していたが、形成さ
れた単結晶中の気孔含有率は8.9体積%となり、ポー
ラスで利用できる状態でなかった。(Embodiment 10) As in Embodiment 3, TSSG
The commercially available BaTiO 3 single crystal produced by the
0) The surface was cut into 5 × 5 × 0.5 mm, and this surface was polished to a surface roughness Ra = 0.3 nm and flatness λ / 4 to obtain a seed crystal. On the other hand, BaTiO 3 (Ba
/Ti=0.9945) Powder and PbT prepared by solid phase method
55.0 powder of iO 3 (Pb / Ti = 0.9952)
By molding it together with a mixing ratio of the mole-to 45.0 moles pot grinding (disc shape with a diameter of 16 mm), 1 hour at 1200 ℃ O 2 -HIP (atmosphere 20%
O 2 , pressure 98MPa) sintered and relative density 99.96%
55.0 mol% of BaTiO 3 -45.0 mol% of PbT
An iO 3 sintered body was produced. The obtained sintered body was composed of crystal grains having an average particle size of about 3 μm. The molar ratio of the elements contained in this sintered body is (Ba + Pb) /Ti=0.9948
It was. The end face of the sintered body is made to have a surface roughness Ra = 0.3n.
After the mirror surface was finished to a m and a flatness of λ / 4, the polished surfaces of the seed crystal and the sintered body were washed with acetone, and then both were mechanically joined. Each of the bonded sample and the PZT sintered body was placed on a setter and further covered with an MgO crucible to form an atmosphere containing Pb. While maintaining this state, the substrate was kept at 1360 ° C. for 20 hours in an oxygen atmosphere to perform single crystallization without melting. After the growth treatment, single crystal was formed from the surface bonded to the seed crystal to about 13 mm, but the formed single crystal had a pore content of 8.9% by volume and was not in a porous and usable state.
【0070】この結果を基に、育成雰囲気を20%O2
−80%Ar組成でその圧力を50気圧として前記の種
結晶−焼結体の接合試料を1350℃で24時間保持し
て、非溶融下で熱処理を行った。圧力下で処理した後の
試料は、種結晶と接合した面から約15mmまでが単結
晶化しており、育成速度は0.63mm/hであり、従
来の溶融凝固法の育成速度より遥かに高速で育成できる
ことが判明した。また、種結晶を用いた焼結法により得
られた55.0モル%BaTiO3 −45.0モル%P
bTiO3 単結晶の気孔含有率は5.1体積%に低減さ
れた。試料をHCl−HF溶液中でエッチングして転位
密度を調べたところ1×104 /cm2であった。Based on the results, the growth atmosphere was changed to 20% O 2
The joint sample of the seed crystal and the sintered body was held at 1350 ° C. for 24 hours at a pressure of 50 atm with a composition of −80% Ar, and heat treatment was performed without melting. After the treatment under pressure, the sample was monocrystallized up to about 15 mm from the surface joined with the seed crystal, and the growth rate was 0.63 mm / h, which is much higher than the growth rate of the conventional melt solidification method. It turned out that it can be raised in. Further, 55.0 mol% BaTiO 3 -45.0 mol% P obtained by a sintering method using a seed crystal.
The porosity of the bTiO 3 single crystal was reduced to 5.1% by volume. When the sample was etched in an HCl-HF solution to measure the dislocation density, it was 1 × 10 4 / cm 2 .
【0071】(実施例11)TiO2 (26.7288
g),PbO(0.3720g)およびBaCO3(6
5.4498g)を湿式混合し、乾燥後1100℃で5
時間仮焼して粉砕するとともにこれを成形(直径20m
mのディスク形状)した。このとき形成した圧粉体にお
いて、含有する元素のモル比は(Ba+Pb)/Ti=
0.9960となっていた。これを1330℃で10時
間焼結して焼結体を得た。この焼結体は平均粒径約2.
6mmの粗大な結晶粒から構成されており、焼結体の組
成は99.5モル%BaTiO3 −0.5モル%PbT
iO3 となっていた。この焼結体から種結晶として粗大
結晶粒を取り出し、この結晶粒の(001)面を切り出
して表面粗度Ra=0.2nm、平坦度λ/2に仕上げ
た。また、この粗大結晶粒について電子線回折像の測定
を行い、非常に結晶方位の揃った単結晶であることを確
認した。この電子線回折像を図4に示す。Example 11 TiO 2 (26.7288)
g), PbO (0.3720 g) and BaCO 3 (6
5.4498 g) were wet-mixed, dried and dried at 1100 ° C. for 5 hours.
This is calcined for a period of time, pulverized and molded (diameter 20 m).
m disk shape). In the green compact formed at this time, the molar ratio of the contained elements is (Ba + Pb) / Ti =
0.9960. This was sintered at 1330 ° C. for 10 hours to obtain a sintered body. This sintered body has an average particle size of about 2.
It is composed of coarse crystal grains of 6 mm, and the composition of the sintered body is 99.5 mol% BaTiO 3 -0.5 mol% PbT
It has been a iO 3. Coarse crystal grains were taken out from the sintered body as seed crystals, and the (001) plane of the crystal grains was cut out to finish the surface roughness Ra = 0.2 nm and the flatness λ / 2. Further, an electron diffraction image of the coarse crystal grains was measured, and it was confirmed that the crystal grains were single crystals having a very uniform crystal orientation. This electron beam diffraction image is shown in FIG.
【0072】一方、同じ配合を直径10mm×厚さ20
mmのディスク形状に成形し、1250℃で3時間焼結
して相対密度96.8%の99.5モル%BaTiO3
−0.5モル%PbTiO3 焼結体を得た。焼結体を構
成する結晶粒の平均粒径は約6μmであった。この焼結
体の含有する元素のモル比は(Ba+Pb)/Ti=
0.9960となっていた。この焼結体の端面を表面粗
度Ra=0.2nm、平坦度λ/2に鏡面仕上げし、前
述の種結晶と焼結体の両研磨面をアセトン洗浄した後、
接合界面にBaCl3 とTiOCl2 の混合溶液(混合
比1:0.5の溶液)を塗り接合させた。この状態を維
持しながら、酸素雰囲気下1300℃で30時間保持し
て、非溶融下で単結晶化を行った。育成処理後は種結晶
と接合した面から約14mmまでが単結晶化していた。On the other hand, the same composition was prepared by adding a diameter of 10 mm × a thickness of 20 mm.
mm, and sintered at 1250 ° C. for 3 hours to obtain 99.5 mol% BaTiO 3 having a relative density of 96.8%.
A −0.5 mol% PbTiO 3 sintered body was obtained. The average grain size of the crystal grains constituting the sintered body was about 6 μm. The molar ratio of the elements contained in this sintered body is (Ba + Pb) / Ti =
0.9960. The end face of the sintered body is mirror-finished to a surface roughness Ra of 0.2 nm and a flatness of λ / 2, and both polished surfaces of the seed crystal and the sintered body are washed with acetone,
A mixed solution of BaCl 3 and TiOCl 2 (solution having a mixing ratio of 1: 0.5) was applied to the bonding interface and bonded. While maintaining this state, it was kept at 1300 ° C. for 30 hours in an oxygen atmosphere to perform single crystallization without melting. After the growing treatment, a single crystal was formed from the surface bonded to the seed crystal to about 14 mm.
【0073】この結果から、育成速度は0.47mm/
hであり、従来の溶融凝固法の育成速度より遥かに高速
で育成できることが判明した。また、種結晶を用いた焼
結法により得られた99.5モル%BaTiO3 −0.
5モル%PbTiO3 単結晶の気孔含有率は0.8体積
%であり、HCl−HF溶液中でエッチングして転位密
度を調べたところ、2×102 /cm2 であった。この
サンプルに関して行ったX線回折の測定結果を図3の
(a)(単結晶化前)および図3の(b)(単結晶化
後)に示す。(なお、図3の(b)の2θ=45°付近
にピ−クが2本見られるのは、タ−ゲットの固有X線が
Kα1 とKα2 に分離しているためである。)From the results, the growth rate was 0.47 mm /
h, which indicates that the growth can be performed at a much higher speed than the growth speed of the conventional melt solidification method. Further, 99.5 mol% of BaTiO 3 -0.0.9 obtained by a sintering method using a seed crystal.
The pore content of the 5 mol% PbTiO 3 single crystal was 0.8% by volume, and the dislocation density was determined by etching in a HCl-HF solution. As a result, it was 2 × 10 2 / cm 2 . The measurement results of X-ray diffraction performed on this sample are shown in FIG. 3A (before single crystallization) and FIG. 3B (after single crystallization). (Note that peak in the vicinity of 2 [Theta] = 45 ° in FIG. 3 (b) - the click is found two, the other - in order to characteristic X-ray of the target are separated into K [alpha 1 and K [alpha 2.)
【0074】(実施例12)実施例3と同様にTSSG
法で作製された市販のBaTiO3 単結晶を方位(00
1)面で5×5×0.5mmに切り出し、この面を表面
粗度Ra=0.3nm、平坦度λ/4に研磨して種結晶
とした。一方、蓚酸塩法で作製したBaTiO3 (Ba
/Ti=0.9945)粉末と固相法で作成したPbT
iO3 (Pb/Ti=0.9952) 粉末を70.0
モル対30.0モルの割合で混合しポットミル粉砕する
とともにこれを成形(直径16mmのディスク形状)し
て、1200℃で1時間O2 −HIP(雰囲気は20%
O2 ,圧力98MPa)焼結して相対密度99.96%
の70.0モル%BaTiO3 −30.0モル%PbT
iO3 焼結体を作製した。得られた焼結体は平均粒径約
4μmの結晶粒で構成されていた。この焼結体の含有す
る元素のモル比は(Ba+Pb)/Ti=0.9947
となっていた。焼結体の端面を表面粗度Ra=0.3n
m、平坦度λ/4に鏡面仕上げし、前記の種結晶と焼結
体の両研磨面をアセトン洗浄した後、両者を機械的に接
合させた。接合した試料とPZT焼結体を各1個をセッ
ター上に置き、さらにMgO坩堝を被せることによって
Pbを含む雰囲気を形成した。この状態を維持しなが
ら、酸素雰囲気下1330℃で20時間保持して、非溶
融下で単結晶化を行った。育成処理後は種結晶と接合し
た面から約12mmまでが単結晶化していた。形成され
た単結晶中の気孔含有率は3.8体積%であった。試料
をHCl−HF溶液中でエッチングして転位密度を調べ
たところ7×103 /cm2 であった。(Embodiment 12) As in Embodiment 3, TSSG
A commercially available BaTiO 3 single crystal produced by the method
1) The surface was cut into 5 × 5 × 0.5 mm, and this surface was polished to a surface roughness Ra = 0.3 nm and flatness λ / 4 to obtain a seed crystal. On the other hand, BaTiO 3 (Ba
/Ti=0.9945) Powder and PbT prepared by solid phase method
iO 3 (Pb / Ti = 0.9952)
By molding it together with a mixing ratio of the mole-to 30.0 moles pot grinding (disc shape with a diameter of 16 mm), 1 hour at 1200 ℃ O 2 -HIP (atmosphere 20%
O 2 , pressure 98MPa) sintered and relative density 99.96%
70.0 mol% of BaTiO 3 -30.0 mol% of PbT
An iO 3 sintered body was produced. The obtained sintered body was composed of crystal grains having an average particle size of about 4 μm. The molar ratio of the elements contained in the sintered body is (Ba + Pb) /Ti=0.9947
It was. The end face of the sintered body is made to have a surface roughness Ra = 0.3n.
After the mirror surface was finished to a m and a flatness of λ / 4, the polished surfaces of the seed crystal and the sintered body were washed with acetone, and then both were mechanically joined. Each of the bonded sample and the PZT sintered body was placed on a setter and further covered with an MgO crucible to form an atmosphere containing Pb. While maintaining this state, the substrate was kept at 1330 ° C. for 20 hours in an oxygen atmosphere to perform single crystallization without melting. After the growth treatment, a single crystal was formed from the surface bonded to the seed crystal to about 12 mm. The pore content in the formed single crystal was 3.8% by volume. When the sample was etched in an HCl-HF solution and the dislocation density was examined, it was 7 × 10 3 / cm 2 .
【0075】(実施例13)TiO2 (26.6246
g),PbO(3.7200g)およびBaCO3(6
2.4898g)を湿式混合し、乾燥後1100℃で5
時間仮焼して粉砕するとともにこれを成形(直径20m
mのディスク形状)した。このとき形成した圧粉体にお
いて、含有する元素のモル比は(Ba+Pb)/Ti=
0.9999となっていた。これを1300℃で10時
間焼結して焼結体を得た。この焼結体は平均粒径約2.
2mmの粗大な結晶粒から構成されており、焼結体の組
成は95.0モル%BaTiO3 −5.0モル%PbT
iO3 となっていた。この焼結体から種結晶として粗大
結晶粒を取り出し、この結晶粒の(111)面を切り出
して表面粗度Ra=0.3nm、平坦度λ/4に仕上げ
た。Example 13 TiO 2 (26.6246)
g), PbO (3.7200 g) and BaCO 3 (6
2.4988g), and after wet-drying, dried at 1100 ° C for 5 minutes.
This is calcined for a period of time, pulverized and molded (diameter 20 m).
m disk shape). In the green compact formed at this time, the molar ratio of the contained elements is (Ba + Pb) / Ti =
It was 0.9999. This was sintered at 1300 ° C. for 10 hours to obtain a sintered body. This sintered body has an average particle size of about 2.
It is composed of 2 mm coarse crystal grains, and the composition of the sintered body is 95.0 mol% BaTiO 3 -5.0 mol% PbT
It has been a iO 3. Coarse crystal grains were taken out from the sintered body as seed crystals, and the (111) plane of the crystal grains was cut out and finished to have a surface roughness Ra of 0.3 nm and a flatness of λ / 4.
【0076】一方、同じ配合を直径10mm×厚さ20
mmのディスク形状に成形し、1250℃で3時間焼結
して相対密度98.4%の95.0モル%BaTiO3
−5.0モル%PbTiO3 焼結体を得た。焼結体を構
成する結晶粒の平均粒径は約5μmであった。この焼結
体の含有する元素のモル比は(Ba+Pb)/Ti=
0.9999となっていた。この焼結体の端面を表面粗
度Ra=0.3nm、平坦度λ/4に鏡面仕上げし、前
述の種結晶と焼結体の両研磨面をアセトン洗浄した後、
接合界面にBaCl3 とTiOCl2 の混合溶液(混合
比1:0.5の溶液)を塗り接合させた。この状態を維
持しながら、酸素雰囲気下1350℃で20時間保持し
て、非溶融下で単結晶化を行った。育成処理後は種結晶
と接合した面から約12mmまでが単結晶化していた。On the other hand, the same composition was prepared by adding 10 mm in diameter × 20
mm, and sintered at 1250 ° C. for 3 hours to obtain 95.0 mol% BaTiO 3 having a relative density of 98.4%.
A −5.0 mol% PbTiO 3 sintered body was obtained. The average grain size of the crystal grains constituting the sintered body was about 5 μm. The molar ratio of the elements contained in this sintered body is (Ba + Pb) / Ti =
It was 0.9999. The end face of this sintered body is mirror-finished to a surface roughness Ra of 0.3 nm and a flatness of λ / 4, and both polished surfaces of the seed crystal and the sintered body are washed with acetone.
A mixed solution of BaCl 3 and TiOCl 2 (solution having a mixing ratio of 1: 0.5) was applied to the bonding interface and bonded. While maintaining this state, it was kept at 1350 ° C. for 20 hours in an oxygen atmosphere to perform single crystallization without melting. After the growth treatment, a single crystal was formed from the surface bonded to the seed crystal to about 12 mm.
【0077】この結果から、育成速度は0.60mm/
hであり、従来の溶融凝固法の育成速度より遥かに高速
で育成できることが判明した。また、種結晶を用いた焼
結法により得られた95.0モル%BaTiO3 −5.
0モル%PbTiO3 単結晶の気孔含有率は0.5体積
%であり、HCl−HF溶液中でエッチングして転位密
度を調べたところ、5×102 /cm2 であった。From the results, it was found that the growing speed was 0.60 mm /
h, which indicates that the growth can be performed at a much higher speed than the growth speed of the conventional melt solidification method. Further, 95.0 mol% of BaTiO 3 -5. Obtained by a sintering method using a seed crystal.
The pore content of the 0 mol% PbTiO 3 single crystal was 0.5% by volume, and the dislocation density was determined by etching in an HCl-HF solution. As a result, it was 5 × 10 2 / cm 2 .
【0078】(実施例14)TiO2 (26.8908
g),PbO(3.7200g)およびBaCO3(6
2.4898g)を湿式混合し、乾燥後1100℃で5
時間仮焼して粉砕するとともにこれを成形(直径20m
mのディスク形状)した。このとき形成した圧粉体にお
いて、含有する元素のモル比は(Ba+Pb)/Ti=
0.9990となっていた。これを1300℃で10時
間焼結して焼結体を得た。この焼結体は平均粒径約2.
8mmの粗大な結晶粒から構成されており、焼結体の組
成は95.0モル%BaTiO3 −5.0モル%PbT
iO3 となっていた。この焼結体から種結晶として粗大
結晶粒を取り出し、この結晶粒の(001)面を切り出
して表面粗度Ra=0.3nm、平坦度λ/4に仕上げ
た。Example 14 TiO 2 (26.8908)
g), PbO (3.7200 g) and BaCO 3 (6
2.4988g), and after wet-drying, dried at 1100 ° C for 5 minutes.
This is calcined for a period of time, pulverized and molded (diameter 20 m).
m disk shape). In the green compact formed at this time, the molar ratio of the contained elements is (Ba + Pb) / Ti =
0.9990. This was sintered at 1300 ° C. for 10 hours to obtain a sintered body. This sintered body has an average particle size of about 2.
The sintered body has a composition of 95.0 mol% BaTiO 3 -5.0 mol% PbT.
It has been a iO 3. Coarse crystal grains were taken out from the sintered body as seed crystals, and the (001) plane of the crystal grains was cut out to finish the surface roughness Ra = 0.3 nm and the flatness λ / 4.
【0079】一方、同じ配合を直径10mm×厚さ20
mmのディスク形状に成形し、1250℃で3時間焼結
して相対密度98.7%の95.0モル%BaTiO3
−5.0モル%PbTiO3 焼結体を得た。焼結体を構
成する結晶粒の平均粒径は約6μmであった。この焼結
体の含有する元素のモル比は(Ba+Pb)/Ti=
0.9990となっていた。この焼結体の端面を表面粗
度Ra=0.3nm、平坦度λ/4に鏡面仕上げし、前
述の種結晶と焼結体の両研磨面をアセトン洗浄した後、
接合界面にBaCl3 とTiOCl2 の混合溶液(混合
比1:0.5の溶液)を塗り接合させた。この状態を維
持しながら、酸素雰囲気下1350℃で30時間保持し
て、非溶融下で単結晶化を行った。育成処理後は種結晶
と接合した面から約7mmまでが単結晶化していた。On the other hand, the same composition was prepared by adding a diameter of 10 mm and a thickness of 20 mm.
mm, and sintered at 1250 ° C. for 3 hours to obtain 95.0 mol% BaTiO 3 having a relative density of 98.7%.
A −5.0 mol% PbTiO 3 sintered body was obtained. The average grain size of the crystal grains constituting the sintered body was about 6 μm. The molar ratio of the elements contained in this sintered body is (Ba + Pb) / Ti =
0.9990. The end face of this sintered body is mirror-finished to a surface roughness Ra of 0.3 nm and a flatness of λ / 4, and both polished surfaces of the seed crystal and the sintered body are washed with acetone.
A mixed solution of BaCl 3 and TiOCl 2 (solution having a mixing ratio of 1: 0.5) was applied to the bonding interface and bonded. While maintaining this state, it was kept at 1350 ° C. for 30 hours in an oxygen atmosphere to perform single crystallization without melting. After the growth treatment, a single crystal was formed from the surface bonded to the seed crystal to about 7 mm.
【0080】この結果から、育成速度は0.23mm/
hであり、従来の溶融凝固法の育成速度より遥かに高速
で育成できることが判明した。また、種結晶を用いた焼
結法により得られた95.0モル%BaTiO3 −5.
0モル%PbTiO3 単結晶の気孔含有率は0.6体積
%であり、HCl−HF溶液中でエッチングして転位密
度を調べたところ、1×104 /cm2 であった。From the results, it was found that the growing speed was 0.23 mm /
h, which indicates that the growth can be performed at a much higher speed than the growth speed of the conventional melt solidification method. Further, 95.0 mol% of BaTiO 3 -5. Obtained by a sintering method using a seed crystal.
The pore content of the 0 mol% PbTiO 3 single crystal was 0.6% by volume, and the dislocation density was determined by etching in an HCl-HF solution. The result was 1 × 10 4 / cm 2 .
【0081】(実施例15)湿式法により作製したBa
TiO3 (Ba/Ti=0.9954)粉末とPbTi
O3 (Pb/Ti=1.0000)粉末とCaTiO3
(Ca/Ti=1.0000)粉末を順に70.0:2
9.0:1.0のモル比で湿式混合し、これを成形(直
径20mmのディスク形状)した。このとき成形した圧
粉体において、含有する元素のモル比は(Ba+Pb)
/Ti=0.9868となっていた。これを1350℃
で10時間焼結して焼結体を得た。この焼結体は平均粒
径約3.3mmの粗大な結晶粒から構成されており、焼
結体の組成は70.0モル%BaTiO3 −29.0モ
ル%PbTiO3 −1.0モル%CaTiO3 となって
いた。この焼結体から種結晶として粗大結晶粒を取り出
し、この結晶粒の(001)面を切り出して表面粗度R
a=0.3nm、平坦度λ/4に仕上げた。(Example 15) Ba produced by a wet method
TiO 3 (Ba / Ti = 0.9954) powder and PbTi
O 3 (Pb / Ti = 1.0000) powder and CaTiO 3
(Ca / Ti = 1.0000) powder in order of 70.0: 2
The mixture was wet-mixed at a molar ratio of 9.0: 1.0, and was molded (disc shape having a diameter of 20 mm). At this time, in the green compact formed, the molar ratio of the contained elements is (Ba + Pb)
/Ti=0.9868. This is 1350 ° C
For 10 hours to obtain a sintered body. This sintered body is composed of coarse crystal grains having an average particle size of about 3.3 mm, and the composition of the sintered body is 70.0 mol% BaTiO 3 -29.0 mol% PbTiO 3 -1.0 mol% CaTiO 3 was found. Coarse crystal grains are taken out from the sintered body as seed crystals, and the (001) plane of the crystal grains is cut out to obtain a surface roughness R.
a = 0.3 nm and flatness λ / 4.
【0082】一方、同じ配合を直径10mm×厚さ20
mmのディスク形状に成形し、1250℃で3時間焼結
して相対密度98.9%の70.0モル%BaTiO3
−29.0モル%PbTiO3 −1.0モル%CaTi
O3 焼結体を得た。焼結体を構成する結晶粒の平均粒径
は約6μmであった。この焼結体の含有する元素のモル
比は(Ba+Pb)/Ti=0.9868となってい
た。この焼結体の端面を表面粗度Ra=0.3nm、平
坦度λ/4に鏡面仕上げし、前述の種結晶と焼結体の両
研磨面をアセトン洗浄した後、9.8MPaの圧力をか
け1200℃で1時間の接合を行った。接合した試料と
ともにPZT焼結体をセッター上に置き、MgO坩堝を
被せることで鉛雰囲気を形成し1350℃、50時間で
単結晶化を行った。育成処理後は種結晶と接合した面か
ら約11mmまでが単結晶化していた。On the other hand, the same composition was prepared by adding 10 mm in diameter × 20 thickness.
mm, and sintered at 1250 ° C. for 3 hours for 70.0 mol% BaTiO 3 having a relative density of 98.9%.
−29.0 mol% PbTiO 3 −1.0 mol% CaTi
An O 3 sintered body was obtained. The average grain size of the crystal grains constituting the sintered body was about 6 μm. The molar ratio of the elements contained in this sintered body was (Ba + Pb) /Ti=0.9868. The end face of this sintered body is mirror-finished to a surface roughness Ra of 0.3 nm and a flatness of λ / 4. Bonding was performed at 1200 ° C. for 1 hour. A PZT sintered body was placed on a setter together with the joined sample, and a lead atmosphere was formed by covering the MgO crucible, and single crystallization was performed at 1350 ° C. for 50 hours. After the growth treatment, a single crystal was formed from the surface bonded to the seed crystal to about 11 mm.
【0083】この結果から、育成速度は0.22mm/
hであった。焼結法により得られた70.0モル%Ba
TiO3 −29.0モル%PbTiO3 −1.0モル%
CaTiO3 単結晶の気孔含有率は4.1体積%であ
り、またHCl−HF溶液中でエッチングして転位密度
を調べたところ、1×104 /cm2 であった。From the results, it was found that the growing speed was 0.22 mm /
h. 70.0 mol% Ba obtained by sintering method
TiO 3 -29.0 mol% PbTiO 3 -1.0 mol%
The pore content of the CaTiO 3 single crystal was 4.1% by volume, and the dislocation density was determined by etching in an HCl-HF solution to find that it was 1 × 10 4 / cm 2 .
【0084】(比較例1)TiO2 (27.1652
g),PbO(3.7200g)およびBaCO3(6
2.4898g)を湿式混合し、乾燥後1110℃で5
時間仮焼して粉砕するとともにこれを成形(直径16m
mのディスク形状)した。このとき形成した圧粉体にお
いて、含有する元素のモル比は(Ba+Pb)/Ti=
0.9800となっていた。これを1350℃で30時
間焼結して95.0モル%BaTiO 3 −5.0モル%
PbTiO3 焼結体を得た。この焼結体は平均粒径が僅
か50μmの結晶粒で構成されていて、種結晶として用
いるのに充分な大きさの単結晶を得ることができなかっ
た。このため、市販のTSSG法で育成されたBaTi
O3 単結晶の(100)面に実施例3と同様の加工を行
って種結晶とした。(Comparative Example 1) TiOTwo (27.652
g), PbO (3.7200 g) and BaCOThree(6
2.4988 g) were wet-mixed, dried and dried at 1110 ° C. for 5 hours.
This is calcined for a time and crushed and molded (diameter 16m).
m disk shape). The green compact formed at this time
And the molar ratio of the contained elements is (Ba + Pb) / Ti =
It was 0.9800. This at 1350 ° C for 30 hours
95.0 mol% BaTiO Three -5.0 mol%
PbTiOThree A sintered body was obtained. This sintered body has a small average particle size.
Or 50μm crystal grains, used as seed crystals
To obtain a single crystal large enough to be
Was. For this reason, commercially available BaTi grown by the TSSG method
OThree The same processing as in Example 3 was performed on the (100) plane of the single crystal.
Was used as a seed crystal.
【0085】一方、同じ配合を直径10mm×厚さ10
mmのディスク形状に成形し、1250℃で3時間焼結
して相対密度98.1%の95.0モル%BaTiO3
−5.0モル%PbTiO3 焼結体を得た。焼結体を構
成する結晶粒の平均粒子径は約12μmであった。この
焼結体の含有する元素のモル比は(Ba+Pb)/Ti
=0.9800となっていた。この焼結体の端面を実施
例3と同じく表面粗度Ra=0.4nm、平坦度λ/6
に鏡面仕上げし、前記の種結晶と焼結体の両研磨面をア
セトン洗浄した後、接合界面に2NのHNO3 溶液を塗
り接合させた。この状態を維持しながら、酸素雰囲気下
1370℃で50時間保持して、非溶融下で単結晶化を
行った。On the other hand, the same composition was prepared by adding 10 mm in diameter × 10 mm in thickness.
mm, and sintered at 1250 ° C. for 3 hours to obtain 95.0 mol% BaTiO 3 having a relative density of 98.1%.
A −5.0 mol% PbTiO 3 sintered body was obtained. The average grain size of the crystal grains constituting the sintered body was about 12 μm. The molar ratio of the elements contained in this sintered body is (Ba + Pb) / Ti
= 0.9800. The end face of this sintered body was subjected to surface roughness Ra = 0.4 nm and flatness λ / 6 in the same manner as in Example 3.
After polishing both surfaces of the seed crystal and the sintered body with acetone, a 2N HNO 3 solution was applied to the bonding interface and bonded. While maintaining this state, it was kept at 1370 ° C. for 50 hours in an oxygen atmosphere to perform single crystallization without melting.
【0086】単結晶育成処理後は種結晶と接合した面か
ら僅か100μmまでしか結晶成長していなかった。こ
の結果から、育成速度は2×10-3mm/hであり、殆
ど単結晶化が進行しないことが判明した。After the single crystal growing process, the crystal had grown only up to 100 μm from the surface joined with the seed crystal. From this result, it was found that the growth rate was 2 × 10 −3 mm / h, and single crystallization hardly proceeded.
【0087】(比較例2)共沈法によるBaTiO3
(Ba/Ti=1.000)およびPbTiO3 (Pb
/Ti=1.0100)粉末を作製し、90.0モル対
10.0モルの割合で混合した。この混合粉末をポット
ミル中で粉砕するとともにこれを成形(直径16mmの
ディスク形状)した。このとき形成した圧粉体の含有す
る元素のモル比は(Ba+Pb)/Ti=1.0010
となっていた。これを1350℃で10時間焼結して9
0.0モル%BaTiO3 −10.0モル%PbTiO
3 焼結体を得た。この焼結体は平均粒径約3μmの微細
な結晶粒で構成されていて、種結晶として用いるのに充
分な大きさの単結晶を得ることができなかった。そこ
で、比較例1と同様にして市販のTSSG法で育成され
たBaTiO3 単結晶を種結晶とした。一方、同じ配合
を直径10mm×厚さ15mmのディスク形状に成形
し、1250℃で3時間焼結して相対密度97.8%の
90.0モル%BaTiO3 −10.0モル%PbTi
O3 焼結体を得た。この焼結体の含有する元素のモル比
は(Ba+Pb)/Ti=1.0010となっていた。
この焼結体の端面を比較例1と同じく表面粗度Ra=
0.4nm、平坦度λ/6に鏡面仕上げし、前記の種結
晶と焼結体の両研磨面をアセトン洗浄した後、接合界面
にBaCl 3 とTiOCl2 の混合溶液 (混合比1:
1の溶液)を塗り接合させた。この状態を維持しなが
ら、酸素雰囲気下1390℃で30時間保持して、非溶
融下で単結晶化を行った。単結晶育成処理後は種結晶と
接合した面から1〜2グレイン幅程度(5〜10μm程
度)しか単結晶中に取り込まれておらず、単結晶化が殆
ど起こらなかった。Comparative Example 2 BaTiO by Coprecipitation MethodThree
(Ba / Ti = 1.000) and PbTiOThree (Pb
/Ti=1.0100) powder was prepared, and 90.0 mol
The mixture was mixed at a rate of 10.0 mol. Pot this mixed powder
This is crushed in a mill and molded (with a diameter of 16 mm).
Disk shape). The content of the green compact formed at this time is
The molar ratio of the elements is (Ba + Pb) /Ti=1.0010
It was. This was sintered at 1350 ° C. for 10 hours to obtain 9
0.0 mol% BaTiOThree -10.0 mol% PbTiO
Three A sintered body was obtained. This sintered body is fine with an average particle size of about 3 μm.
It is composed of various crystal grains and is suitable for use as a seed crystal.
A single crystal of an appropriate size could not be obtained. There
In the same manner as in Comparative Example 1, it was grown by a commercial TSSG method.
BaTiOThree The single crystal was used as a seed crystal. Meanwhile, the same formulation
Into a disk shape of 10mm diameter x 15mm thickness
And sintered at 1250 ° C. for 3 hours to obtain a relative density of 97.8%.
90.0 mol% BaTiOThree -10.0 mol% PbTi
OThree A sintered body was obtained. Molar ratio of elements contained in this sintered body
Was (Ba + Pb) /Ti=1.0010.
The end face of this sintered body was subjected to surface roughness Ra =
Mirror finish to 0.4nm, flatness λ / 6,
After washing the polished surfaces of the crystal and sintered body with acetone,
BaCl Three And TiOClTwo Mixed solution (mixing ratio 1:
1 solution) and bonded. While maintaining this state
And kept at 1390 ° C for 30 hours in an oxygen atmosphere to
Single crystallization was performed under melting. After the single crystal growing process,
About 1 to 2 grain width from the joined surface (about 5 to 10 μm
) Is only incorporated into the single crystal, and almost no single crystallization occurs.
Nothing happened.
【0088】(比較例3)TSSG法によるBaTiO
3 −PbTiO3 単結晶の育成を行った。融液の原料と
して市販のBaTiO3 粉末、TiO2 粉末、およびP
bTiO3 粉末を用いた。原料粉末をBaTiO3 :T
iO2 :PbTiO3 =1:0.5:0.01のモル比
で用いて焼結体を作製し、この焼結体を白金坩堝に入れ
高周波誘導加熱により原料を溶融した。育成温度は14
40℃で白金ホルダ−に取りつけられた〈100〉方位
のBaTiO3 種結晶をこの融液中に浸漬し、30rp
mの回転を伴いながら0.4℃/hで温度降下させ、か
つ0.1mm/hの速度で結晶成長を行った。約200
時間後1330℃(共晶温度)付近に達したところで引
上げを終了した。得られた結晶は直径25mm、長さ1
6mm(容積7.9cm3 )であった。結晶内部には育
成途中のPb蒸発に伴う数μm〜数10μmのボイドが
多数形成された多孔体構造(気孔含有率は8体積%)で
あり、顕微鏡観察ではぺロブスカイト相以外のインクリ
ュージョンも多数発生していた。結晶中の転位密度は2
×106 /cm2 であり、本発明のBaTiO3 −Pb
TiO3系単結晶より転位密度の大きいものであった。
また、生産性は0.04cm3 /hであり、本発明のB
aTiO3 −PbTiO3 系単結晶と比べて約1/10
0にすぎない。Comparative Example 3 BaTiO by TSSG Method
A 3- PbTiO 3 single crystal was grown. Commercially available BaTiO 3 powder, TiO 2 powder, and P
bTiO 3 powder was used. The raw material powder is BaTiO 3 : T
A sintered body was prepared using a molar ratio of iO 2 : PbTiO 3 = 1: 0.5: 0.01, and the sintered body was put in a platinum crucible to melt the raw material by high frequency induction heating. Growth temperature is 14
A BaTiO 3 seed crystal of <100> orientation attached to a platinum holder at 40 ° C. is immersed in this melt,
The temperature was lowered at a rate of 0.4 ° C./h with rotation of m, and the crystal was grown at a rate of 0.1 mm / h. About 200
After a lapse of time, when the temperature reached around 1330 ° C. (eutectic temperature), the pulling was terminated. The obtained crystal has a diameter of 25 mm and a length of 1.
It was 6 mm (volume 7.9 cm 3 ). The inside of the crystal has a porous structure in which many voids of several μm to several tens of μm are formed due to Pb evaporation during growth (porosity is 8% by volume). Many occurred. The dislocation density in the crystal is 2
× 10 6 / cm 2 , and according to the present invention, BaTiO 3 —Pb
The dislocation density was higher than that of the TiO 3 single crystal.
Further, the productivity is 0.04 cm 3 / h,
aTiO 3 about 1/10 compared to the -PbTiO 3 system single crystal
It's just 0.
【0089】また、本発明者らは、本発明により得られ
たBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶の結晶性に関し
て測定を行ったところ、本発明のBaTiO3 −PbT
iO 3 系単結晶は、非常に結晶性の優れたものであるこ
とが判明した。X線回折、電子線回折からは配向が均一
に揃った単結晶であることを確認した。また、エッチピ
ット観察による転位密度の低さから、不純物あるいは格
子欠陥の少ない結晶であることが確認され、気孔含有率
も非常に少ないものであった。The present inventors have also obtained the present invention.
BaTiOThree -PbTiOThree The crystallinity of single crystals
Of the BaTiO of the present inventionThree -PbT
iO Three A system single crystal must have very good crystallinity.
It turned out. Uniform orientation from X-ray diffraction and electron diffraction
It was confirmed that the single crystal was uniform. Also,
Impurity or case due to low dislocation density
It was confirmed that the crystal had few child defects,
Was also very small.
【0090】さらに、本発明のBaTiO3 −PbTi
O3 系単結晶の誘電性、圧電性、焦電性など、他の物性
についても検討を行ったところ、BaTiO3 −PbT
iO 3 系単結晶の物性に関しては、特に、圧電性におい
て優れた特性が見られた。それは、BaTiO3 多結晶
はもちろんのこと、現在、標準的に用いられているPZ
T(Pb(Ti,Zr)O3 )多結晶やTSSG法で作
製されたBaTiO3単結晶の特性を凌駕するものであ
った。Further, the BaTiO of the present inventionThree -PbTi
OThree Other physical properties such as dielectricity, piezoelectricity, and pyroelectricity of single crystal
Was also examined, BaTiOThree -PbT
iO Three Regarding the physical properties of the system single crystal,
And excellent characteristics were observed. It is BaTiOThree Polycrystalline
Needless to say, PZ which is currently used as standard
T (Pb (Ti, Zr) OThree ) Made by polycrystal or TSSG method
BaTiO madeThreeIt surpasses the properties of single crystals.
Was.
【0091】本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単
結晶を、圧電材料としての観点から考えてみると、優れ
た圧電特性と同時に、使用可能温度領域の広さと、鉛含
有量の低さを達成している点を長所として挙げることが
できる。BaTiO3 多結晶はキュリ−温度(Tc )が
約120℃であり、BaTiO3 多結晶を用いた素子に
おいてはキュリ−温度(Tc )により限定される使用可
能温度領域の狭さが従来から実用上の難点であった。こ
れに対し、本発明のBaTiO3 −PbTiO 3 系単結
晶は、BaTiO3 多結晶よりもキュリ−温度(Tc )
が高く、使用可能温度領域をより広げることができる。BaTiO of the present inventionThree -PbTiOThree System simple
Considering crystals from the perspective of piezoelectric materials,
Of the usable temperature range and lead-containing
One of the strong points is that it has achieved
it can. BaTiOThree Polycrystals have a Curie temperature (Tc )But
About 120 ° C, BaTiOThree For devices using polycrystals
Curie temperature (Tc ) Limited use
The narrow working temperature range has been a practical difficulty in the past. This
In contrast, the BaTiO of the present inventionThree -PbTiO Three Simple connection
The crystal is BaTiOThree Curie temperature (Tc )
And the usable temperature range can be further expanded.
【0092】また、地球環境への負荷を軽減するため
に、近年、工業製品における鉛使用量の削減が求められ
ているが、本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単結
晶について、現在、圧電材料の主流となっているPZT
多結晶と比較すると、先ず、組成の違いから、大幅に鉛
の使用量を削減することができ、さらに圧電特性が著し
く向上することにより、同一の効果を出現するのに必要
な圧電材料の使用量自体も大幅に削減できることがわか
る。また、現在一般に鉛使用量削減を目的とするPZT
代替の有望材料としては、BaTiO3 多結晶、Bi
0.5 Na0.5 TiO 3 多結晶、(Na0.5 K0.5 )Nb
O3 多結晶が考えられているが、PZTが圧電定数d33
=300〜400(×10-12 C/N)、電気機械結合
係数k33=0.6〜0.7であるのに対して、BaTi
O3 多結晶は、圧電定数d33=120(×10-12 C/
N)、電気機械結合係数k33=0.4〜0.5であり、
Bi0. 5 Na0.5 TiO3 多結晶は、圧電定数d33=1
10(×10-12 C/N)、電気機械結合係数k33=
0.4〜0.6であって、その圧電特性について満足で
きるものではなかった。また、BaTiO3 −PbTi
O3 系多結晶については、圧電材料として考えてみて
も、その圧電特性はPZT多結晶や本発明のBaTiO
3 −PbTiO3 系単結晶と比べて大きく劣るものであ
り、多結晶としては抜本的な圧電特性の向上はありえな
い。In order to reduce the load on the global environment,
In recent years, it has been required to reduce the amount of lead used in industrial products.
However, the BaTiO of the present inventionThree -PbTiOThree Simple connection
PZT, which is currently the mainstream of piezoelectric materials
Compared to polycrystalline, first, due to the difference in composition,
Can be used, and the piezoelectric characteristics
Required to achieve the same effect by improving
It can be seen that the amount of use of various piezoelectric materials can be significantly reduced
You. In addition, PZT, which generally aims to reduce lead
An alternative promising material is BaTiOThree Polycrystalline, Bi
0.5 Na0.5 TiO Three Polycrystalline, (Na0.5 K0.5 ) Nb
OThree Although polycrystal is considered, PZT has a piezoelectric constant d33
= 300-400 (× 10-12 C / N), electromechanical coupling
Coefficient k33= 0.6 to 0.7, whereas BaTi
OThree Polycrystal has a piezoelectric constant d33= 120 (× 10-12 C /
N), electromechanical coupling coefficient k33= 0.4-0.5,
Bi0. Five Na0.5 TiOThree Polycrystal has a piezoelectric constant d33= 1
10 (× 10-12 C / N), electromechanical coupling coefficient k33=
0.4 to 0.6, which is satisfactory for its piezoelectric characteristics.
It was not something that could be done. In addition, BaTiOThree -PbTi
OThree Think of polycrystalline as a piezoelectric material
Also, the piezoelectric characteristics of the PZT polycrystal or the BaTiO of the present invention
Three -PbTiOThree It is significantly inferior to the system single crystal.
Therefore, it is impossible for a polycrystal to have a drastic improvement in piezoelectric characteristics.
No.
【0093】また、上述した本発明の各実施例におい
て、特に実施例1、2、6によって作製されたBaTi
O3 −PbTiO3 単結晶、および一般的なPZT焼結
体、BaTiO3 焼結体およびTSSG法で育成された
BaTiO3 単結晶の各圧電諸特性を表1に示す。In each of the embodiments of the present invention described above, in particular, the BaTi
Table 1 shows various piezoelectric characteristics of the O 3 —PbTiO 3 single crystal, the general PZT sintered body, the BaTiO 3 sintered body, and the BaTiO 3 single crystal grown by the TSSG method.
【0094】[0094]
【表1】 [Table 1]
【0095】本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単
結晶においては、表1からも分かるように、Pb含有量
が増加するにつれてキュリー温度(Tc )が上昇し、約
300℃までのキュリー温度を選択することができる。
また、焼結法によるBaTiO3 −PbTiO3 単結晶
は、通常のBaTiO3 焼結体に比べ、誘電損失が小さ
く、大傾角粒界粒界の消滅に伴う電気機械結合係数の飛
躍的上昇により、電界印加時の誘起歪み量が増大し、極
めて優れた圧電特性を示すことが判る。In the BaTiO 3 -PbTiO 3 single crystal of the present invention, as can be seen from Table 1, the Curie temperature (T c ) increases as the Pb content increases, and the Curie temperature up to about 300 ° C. You can choose.
Further, the BaTiO 3 -PbTiO 3 single crystal obtained by the sintering method has a smaller dielectric loss than a normal BaTiO 3 sintered body, and a sharp increase in the electromechanical coupling coefficient accompanying disappearance of the large-angle grain boundary grain boundary causes It can be seen that the amount of induced strain at the time of applying an electric field is increased, and extremely excellent piezoelectric characteristics are exhibited.
【0096】次に、本発明のBaTiO3 −PbTiO
3 系単結晶を用いた圧電型アクチュエータ(圧電振動
子)および該圧電型アクチュエータを用いる液体吐出ヘ
ッドについて、図2を参照して説明する。図2の(a)
および(b)に図示する液体吐出ヘッド11は、複数の
液吐出口12と、各液吐出口12に対応して設けられた
液室13と、液室13に対してそれぞれ設けられた圧電
型アクチュエータ19とを備え、圧電型アクチュエータ
19は、少なくともBaTiO3 −PbTiO3系単結
晶からなる層を含む圧電体14と該圧電体14の表面に
形成されるPt,Au,Al等の電極(不図示)および
該圧電体14に接合された振動板17とから構成され
て、圧電振動子を形成する。液体吐出ヘッド11におけ
る液吐出口12は、ノズルプレート15に所定の間隔を
もって形成され、液室13は、基板部16に液吐出口1
2にそれぞれ対応するように並列して形成されており、
各液吐出口12とそれに対応する液室13は、基板部1
6に形成された液流路16aを介して接続される。ま
た、基板部16の上面には各液室13にそれぞれ対応し
て開口部16bが形成され、基板部16の上面には開口
部16bを塞ぐように振動板17が形成され、この振動
板17の上に各液室13に対応して位置するように圧電
体14が配設される。Next, the BaTiO 3 -PbTiO of the present invention is used.
A piezoelectric actuator (piezoelectric vibrator) using a 3- system single crystal and a liquid ejection head using the piezoelectric actuator will be described with reference to FIG. FIG. 2 (a)
The liquid discharge head 11 illustrated in FIGS. 1 and 2B includes a plurality of liquid discharge ports 12, a liquid chamber 13 provided corresponding to each liquid discharge port 12, and a piezoelectric type head provided for each of the liquid chambers 13. and an actuator 19, the piezoelectric actuator 19 is at least BaTiO 3 -PbTiO 3 system Pt formed on the surface of the piezoelectric element 14 and the piezoelectric body 14 including a layer of single crystal, Au, electrodes such as Al (not And a vibration plate 17 joined to the piezoelectric body 14 to form a piezoelectric vibrator. The liquid discharge ports 12 of the liquid discharge head 11 are formed at predetermined intervals in the nozzle plate 15, and the liquid chamber 13 is formed in the substrate section 16 with the liquid discharge ports 1.
2 are formed in parallel to correspond to each other,
Each of the liquid discharge ports 12 and the corresponding liquid chamber 13 are provided in the substrate section 1.
6 via a liquid flow path 16a. An opening 16b is formed on the upper surface of the substrate 16 corresponding to each of the liquid chambers 13, and a diaphragm 17 is formed on the upper surface of the substrate 16 so as to cover the opening 16b. A piezoelectric body 14 is arranged on the liquid crystal chamber 13 so as to correspond to each liquid chamber 13.
【0097】以上のように構成される液体吐出ヘッド1
1において、圧電型アクチュエータ19に対して外部か
ら駆動信号が印加されると、圧電型アクチュエータ19
は駆動して対応する液室13内の液体を加圧し、液室1
3に連通する液吐出口12から液体を液滴として吐出す
る。The liquid discharge head 1 configured as described above
1, when a driving signal is externally applied to the piezoelectric actuator 19, the piezoelectric actuator 19
Is driven to pressurize the liquid in the corresponding liquid chamber 13,
The liquid is discharged as liquid droplets from the liquid discharge port 12 communicating with the third liquid.
【0098】このように圧電型アクチュエータ(圧電振
動子)を構成する圧電体として鉛含有量の少ない圧電材
料であるBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶を用いる
ことにより、既存のPZTの特性を凌ぐ極めて優れた圧
電特性を低コストで得ることができ、さらに、環境に優
しい圧電型アクチュエ−タ(圧電振動子)や液体吐出ヘ
ッドを作製することができる。By using a BaTiO 3 —PbTiO 3 single crystal, which is a piezoelectric material having a low lead content, as a piezoelectric material constituting a piezoelectric actuator (piezoelectric vibrator), the characteristics of the PZT can be greatly surpassed. Excellent piezoelectric characteristics can be obtained at low cost, and an environmentally friendly piezoelectric actuator (piezoelectric vibrator) and liquid discharge head can be manufactured.
【0099】[0099]
【発明の効果】以上説明するように、本発明によれば、
BaTiO3 −PbTiO3 系圧粉体または焼結体を、
Pbの含有モル数がBaの含有モル数よりも少ない所定
の組成にし、非溶融状態に保ったまま所定の温度範囲で
加熱することにより単結晶化することができ、安定した
単結晶育成を可能にするとともに単結晶の成長速度を促
進することができる。As described above, according to the present invention,
BaTiO 3 —PbTiO 3 based green compact or sintered body is
A single crystal can be formed by heating to a predetermined composition in which the number of moles of Pb is smaller than the number of moles of Ba and in a predetermined temperature range while maintaining a non-molten state, thereby enabling stable single crystal growth. And the growth rate of the single crystal can be promoted.
【0100】さらに、(Ba+Pb)/Ti比を所定の
組成範囲とするBaTiO3 −PbTiO3 系圧粉体ま
たは焼結体を非溶融状態に保ったまま所定の温度範囲で
加熱することにより単結晶化することで、単結晶成長の
再現性が向上し、安定した単結晶育成を可能にする。Further, a single crystal is obtained by heating a BaTiO 3 -PbTiO 3 -based green compact or sintered body having a (Ba + Pb) / Ti ratio in a predetermined composition range in a predetermined temperature range while maintaining a non-molten state. By doing so, reproducibility of single crystal growth is improved, and stable single crystal growth is enabled.
【0101】また、BaTiO3 系単結晶あるいはBa
TiO3 −PbTiO3 単結晶を種結晶とし、同じく組
成調整したBaTiO3 −PbTiO3 多結晶体を作製
し、種結晶と前記圧粉体または焼結体の多結晶体を接合
して加熱処理を施すことにより、前記圧粉体または焼結
体の種結晶との接合部分から安定して単結晶化が起こ
り、高品質のBaTiO3 −PbTiO3 単結晶が得ら
れ、単結晶成長の再現性が向上する。この焼結法による
単結晶の育成速度は、Melt−Growth法に匹敵
しあるいはそれを超えている。Further, a BaTiO 3 single crystal or Ba
The TiO 3 -PbTiO 3 single crystal as a seed crystal, as well to produce a BaTiO 3 -PbTiO 3 polycrystal compositionally adjusted, the heat treatment by bonding polycrystal of the green compact or sintered seed crystal By performing this, stable single crystallization occurs from the joint portion with the seed crystal of the green compact or the sintered body, a high-quality BaTiO 3 —PbTiO 3 single crystal is obtained, and the reproducibility of single crystal growth is improved. improves. The growth rate of the single crystal by this sintering method is equal to or exceeds that of the Melt-Growth method.
【0102】また、焼結法で多数の試料を同時に処理で
きるので、生産コストを大幅に低減することが可能とな
るばかりでなく、結晶中の転位密度も非常に小さく高品
質化も達成できるという生産性と特性を両立させること
ができる。Also, since a large number of samples can be processed simultaneously by the sintering method, not only can the production cost be greatly reduced, but also the dislocation density in the crystal is very small and high quality can be achieved. Productivity and characteristics can be compatible.
【0103】さらに、本発明のBaTiO3 −PbTi
O3 単結晶は既存のPZT焼結体特性を遥かに凌駕して
おり、PZT中のPb等の有害物質削減の目的に対応す
るPbレス圧電材料として、既存のPZT系材料に匹敵
する特性を備えたBaTiO 3 −PbTiO3 系単結晶
を提供することができる。また、Pb含有量が増加する
につれてキュリー温度が上昇し、約300℃までのキュ
リー温度を適宜選択することが可能であって、キュリー
温度の問題もない。また、焼結法によるBaTiO3 −
PbTiO3 単結晶は、誘電損失が小さく、大傾角粒界
粒界の消滅に伴う電気機械結合係数の飛躍的上昇によ
り、電界印加時の誘起歪み量が増大し、極めて優れた圧
電特性を示す。Further, the BaTiO of the present inventionThree -PbTi
OThree Single crystals far surpass the properties of existing PZT sintered compacts
To meet the purpose of reducing harmful substances such as Pb in PZT.
Pb-less piezoelectric material comparable to existing PZT-based materials
BaTiO with good properties Three -PbTiOThree Single crystal
Can be provided. Also, the Pb content increases
As the Curie temperature rises, the
Curie temperature can be selected as appropriate,
No temperature issues. BaTiO by sintering methodThree −
PbTiOThree Single crystals have low dielectric loss and large tilt boundaries
Dramatic increase in electromechanical coupling coefficient due to disappearance of grain boundaries
The amount of induced strain at the time of applying an electric field increases,
It shows the electrical characteristics.
【図1】本発明のBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶
の製造方法の一例を示す工程図である。FIG. 1 is a process chart showing an example of a method for producing a BaTiO 3 —PbTiO 3 single crystal of the present invention.
【図2】本発明の液体吐出ヘッドを示す図であって、
(a)はその斜視図であり、(b)は(a)のA−A線
に沿って破断して示す断面図である。FIG. 2 is a view showing a liquid ejection head of the present invention,
(A) is a perspective view, and (b) is a cross-sectional view taken along line AA of (a).
【図3】(a)は本発明の実施例11において種結晶を
接合して単結晶化する以前のBaTiO3 −PbTiO
3 系焼結体のX線回折パタ−ンであり、(b)は同じく
実施例11において種結晶を接合して単結晶化した後の
BaTiO3 −PbTiO3 系単結晶のX線回折パタ−
ンである。FIG. 3 (a) shows BaTiO 3 —PbTiO before a seed crystal is bonded to form a single crystal in Example 11 of the present invention.
FIG. 7B is an X-ray diffraction pattern of a BaTiO 3 -PbTiO 3 single crystal after bonding a seed crystal and forming a single crystal in Example 11 in the same manner as in Example 11;
It is.
【図4】本発明の実施例11において、種結晶として用
いた単結晶化後のBaTiO3−PbTiO3 系単結晶
の電子線回折像である。FIG. 4 is an electron diffraction image of a BaTiO 3 —PbTiO 3 single crystal after single crystallization used as a seed crystal in Example 11 of the present invention.
1 種結晶(BaTiO3 −PbTiO3 系単結晶) 3 BaTiO3 −PbTiO3 系焼結体 5 単結晶化した部分 7 多結晶体部分 11 液体吐出ヘッド 12 液吐出口 13 液室 14 圧電体 15 ノズルプレート 16 基板部 17 振動板 19 (圧電型)アクチュエータOne crystal (BaTiO 3 -PbTiO 3 system single crystal) 3 BaTiO 3 -PbTiO 3 based sintered body 5 single crystal portion 7 polycrystalline portion 11 the liquid discharge head 12 fluid outlet 13 liquid chamber 14 piezoelectric layer 15 nozzle Plate 16 Substrate 17 Vibration plate 19 (piezoelectric) actuator
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 41/08 C (72)発明者 福井 哲朗 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 池末 明生 愛知県名古屋市熱田区六野二丁目六番27− 107 Fターム(参考) 4G077 AA02 BC42 BC43 CA03 CA09 EA02 EA07 HA11 JA08 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification FI FI Theme Court ゛ (Reference) H01L 41/08 C (72) Inventor Tetsuro Fukui 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (72) Inventor Akio Ikesue 2-27-7, Rokuno, Atsuta-ku, Nagoya-shi, Aichi F-term (reference) 4G077 AA02 BC42 BC43 CA03 CA09 EA02 EA07 HA11 JA08
Claims (22)
りも少ないBaTiO3 −PbTiO3 系圧粉体または
焼結体を非溶融状態に保ったまま加熱することにより単
結晶化されたことを特徴とするBaTiO3 −PbTi
O3 系単結晶。A single crystal is obtained by heating a BaTiO 3 -PbTiO 3 -based green compact or sintered body in which the mole number of Pb is smaller than the mole number of Ba while keeping it in a non-molten state. BaTiO 3 —PbTi characterized by the following:
O 3 single crystal.
個/cm2 以下、気孔含有率が1体積ppm以上5体積
%以下の範囲にあることを特徴とする請求項1記載のB
aTiO3 −PbTiO3 系単結晶。2. A dislocation density of 10 2 / cm 2 or more and 10 6 or more.
B / cm 2 or less, and a pore content is in a range of 1 vol ppm or more and 5 vol% or less.
aTiO 3 -PbTiO 3 system single crystal.
であることを特徴とする請求項1または2記載のBaT
iO3 −PbTiO3 系単結晶。3. The BaT according to claim 1, wherein the content of PbTiO 3 is 45 mol% or less.
iO 3 -PbTiO 3 system single crystal.
であることを特徴とする請求項1または2記載のBaT
iO3 −PbTiO3 系単結晶。4. The BaT according to claim 1, wherein the content of PbTiO 3 is 30 mol% or less.
iO 3 -PbTiO 3 system single crystal.
であることを特徴とする請求項1または2記載のBaT
iO3 −PbTiO3 系単結晶。5. The BaT according to claim 1, wherein the content of PbTiO 3 is 25 mol% or less.
iO 3 -PbTiO 3 system single crystal.
とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のBaT
iO3 −PbTiO3 系単結晶。6. The BaT according to claim 1, wherein the BaT has a volume of 1 mm 3 or more.
iO 3 -PbTiO 3 system single crystal.
個/cm2 以下、気孔含有率が1体積ppm以上5体積
%以下の範囲にあることを特徴とするBaTiO3 −P
bTiO3 系単結晶。7. A dislocation density of 10 2 / cm 2 or more and 10 6 or more.
Pieces / cm 2 or less, BaTiO 3 -P pores content, characterized in that in the range of 5 vol% or more 1 ppm by volume
bTiO 3 single crystal.
であることを特徴とする請求項7記載のBaTiO3 −
PbTiO3 系単結晶。8. The BaTiO 3 − according to claim 7, wherein the content of PbTiO 3 is 45 mol% or less.
PbTiO 3 single crystal.
のBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶からなる層を含
むことを特徴とする圧電型アクチュエータ。9. A piezoelectric actuator comprising a layer made of the BaTiO 3 —PbTiO 3 based single crystal according to claim 1. Description:
を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。10. A liquid discharge head comprising the piezoelectric actuator according to claim 9.
よりも少ないBaTiO3 −PbTiO3 系圧粉体また
は焼結体の含有する元素のモル比を0.9800<(B
a+Pb)/Ti<1.0000の範囲とし、前記圧粉
体または焼結体を非溶融状態に保ったまま加熱すること
により単結晶化する工程を含むことを特徴とするBaT
iO3 −PbTiO3 系単結晶の製造方法。11. The molar ratio of elements contained in a BaTiO 3 —PbTiO 3 based green compact or sintered body in which the molar number of Pb is smaller than the molar number of Ba is 0.9800 <(B
a + Pb) / Ti <1.0000, and including a step of heating the green compact or the sintered body in a non-molten state to form a single crystal, thereby forming a single crystal.
manufacturing method of iO 3 -PbTiO 3 system single crystal.
素のモル比を0.9900<(Ba+Pb)/Ti<
1.0000の範囲とすることを特徴とする請求項11
記載のBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶の製造方
法。12. The molar ratio of elements contained in the green compact or the sintered body is 0.9900 <(Ba + Pb) / Ti <
12. The range of 1.0000.
BaTiO 3 -PbTiO 3 system method for manufacturing a single crystal according.
素のモル比を0.9950≦(Ba+Pb)/Ti≦
0.9999の範囲とする請求項11記載のBaTiO
3 −PbTiO3 系単結晶の製造方法。13. The molar ratio of elements contained in the green compact or the sintered body is 0.9950 ≦ (Ba + Pb) / Ti ≦
The BaTiO according to claim 11, which is in the range of 0.9999.
A method for producing a 3- PbTiO 3 single crystal.
3 の含有率が45モル%以下であることを特徴とする請
求項11記載のBaTiO3 −PbTiO3系単結晶の
製造方法。14. The compact or sintered body of PbTiO.
BaTiO 3 -PbTiO 3 system method for producing a single crystal according to claim 11, wherein the third content is 45 mol% or less.
3 の含有率が30モル%以下であることを特徴とする請
求項11記載のBaTiO3 −PbTiO3系単結晶の
製造方法。15. The compact or sintered body of PbTiO.
BaTiO 3 -PbTiO 3 system method for producing a single crystal according to claim 11, wherein the third content is less than 30 mol%.
3 の含有率が25モル%以下であることを特徴とする請
求項11記載のBaTiO3 −PbTiO3系単結晶の
製造方法。16. The compact or sintered body of PbTiO.
BaTiO 3 -PbTiO 3 system method for producing a single crystal according to claim 11, wherein the third content is less than 25 mol%.
以上1400℃以下の温度範囲で加熱することにより単
結晶化する工程を含むことを特徴とする請求項11記載
のBaTiO3 −PbTiO3 系単結晶の製造方法。17. The compact or sintered body is heated to 1200 ° C.
BaTiO 3 -PbTiO 3 system method for producing a single crystal according to claim 11, characterized in that it comprises a step of single crystal by heating at a temperature range of 1400 ° C. or less.
内に挿入することによってPbを含む蒸気を発生させて
BaTiO3 −PbTiO3 系単結晶を育成することを
特徴とする請求項11記載のBaTiO3 −PbTiO
3 系単結晶の製造方法。18. The method of claim 11, wherein the growing the by generating vapor containing Pb by inserting the lead-containing compound in the furnace during the single crystal growth process BaTiO 3 -PbTiO 3 system single crystal BaTiO 3 -PbTiO
Method for producing 3- series single crystal.
で非溶融状態に保ったまま加熱し単結晶化する工程を含
むことを特徴とする請求項11記載のBaTiO3 −P
bTiO3 系単結晶の製造方法。19. The BaTiO 3 —P according to claim 11, further comprising a step of heating the green compact or the sintered body in a non-molten state in a lead atmosphere while heating to form a single crystal.
A method for producing a bTiO 3 single crystal.
iO3 −PbTiO 3 系単結晶を種結晶とし、平均粒径
20μm以下の結晶粒から構成され、相対密度95%以
上であるBaTiO3 −PbTiO3 系焼結体を前記種
結晶の{100}面、{110}面または{111}面
と接合し、非溶融状態に保ったまま加熱することにより
単結晶化することを特徴とするBaTiO3 −PbTi
O3 系単結晶の製造方法。20. BaTiOThree System single crystal or BaT
iOThree -PbTiO Three System single crystal as seed crystal, average particle size
Consisting of crystal grains of 20 μm or less, relative density of 95% or less
BaTiO on topThree -PbTiOThree -Based sintered body
{100}, {110} or {111} faces of the crystal
By heating while maintaining the non-molten state
BaTiO characterized by single crystallizationThree -PbTi
OThree A method for producing a system single crystal.
結体の含有する元素のモル比を0.9950≦(Ba+
Pb)/Ti≦0.9999の範囲とすることを特徴と
する請求項20記載のBaTiO3 −PbTiO3 系単
結晶の製造方法。21. The molar ratio of elements contained in the BaTiO 3 —PbTiO 3 based sintered body is 0.9950 ≦ (Ba +
BaTiO 3 -PbTiO 3 system method for producing a single crystal according to claim 20, wherein in the range of Pb) /Ti≦0.9999.
内に挿入することによってPbを含む蒸気を発生させて
BaTiO3 −PbTiO3 系単結晶を育成することを
特徴とする請求項20記載のBaTiO3 −PbTiO
3 系単結晶の製造方法。22. A BaTiO 3 -PbTiO 3 single crystal is grown by inserting a lead-containing compound into a furnace during the single crystal growing process to generate a Pb-containing vapor. BaTiO 3 -PbTiO
Method for producing 3- series single crystal.
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